Что такое структура материаловедение

СТРУКТУРА И ТЕКСТУРА. Основные понятия, термины, определения

В строительном материаловедении часто используют термин структура как совокупность и взаиморасположение элементов, составляющих тот или иной материал, когда, например, характеризуют особенности строения керамического черепка или цементного камня.

Структура, согласно словарю (строение, расположение, порядок), представляет собой совокупность устойчивых связей тела (объекта), обеспечивающих его целостность (и тождественность самому себе).

Это определение относится к абстрактному однородному по своему составу телу и предполагает наличие какой-либо специфики. Например: кристаллическая структура, стеклообразная структура и т.д.

При изучении каменных материалов или горных пород как совокупности минералов, кристаллических и аморфных составляющих или стеклообразных систем установлен сложный характер структуры: стеклокристаллическая или аморфно-кристаллическая структура.

При рассмотрении искусственных материалов, используемых в строительных конструкциях, имеет место термин «плотная или пористая структура».

Когда рассматривают материал или изделие как сочетание элементов и имеют отличительной целью показать их форму, то часто говорят, например: волокнистая, зернистая, чешуйчатая и т.п. структура (строение). Однако, более точным в данном случае является термин «текстура».

Текстура является отличительной характеристикой внутреннего строения материала и его поверхности и чаще всего определяет декоративные свойства.

Текстура, в отличие от структуры, не имеет такой логической связи с составом, химическими связями и свойствами и является лишь дополнением к более широкому понятию структуры.

В строительном материаловедении при изучении влияния структуры на свойства материалов различают внутреннее строение вещества, микроструктуру и макроструктуру.

Источник

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮТЖЕТНОЕ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

О.В. Андреев, А.А. Вакулин, К.В. Дячук

Тюменского государственного университета

Андреев О.В., Вакулин А.А., Дячук К.В. Материаловедение: учебное пособие. Тюмень: Издательство ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», 2013. 461 с.

В учебном пособии представлены данные по составу, структуре, свойствам, областям применения основных видов материалов: сталям, чугунам, цветным и редким металлам и сплавам, сплавам с особыми физическими свойствами, полимерам, керамике, стеклу, композиционным материалам, древесным материалам, строительным материалам и наноматериалам. Учебно-методическая информация, содержащаяся в пособии, позволяет студентам самостоятельно изучать курс материаловедения.

Учебное пособие предназначено для студентов, магистров, аспирантов. Может быть использовано как краткий справочник.

Учебное пособие рекомендовано к печати учебно-методической комиссией ИМЕНИТ ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», а также учебно-методической комиссией филиала ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» в г. Сургуте.

В.М. Матюнин, доктор технических наук, профессор кафедры технологии металлов МЭИ(ТУ), г. Москва.

И.М. Ковенский, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой материаловедения и технологии конструкционных материалов ТГНГУ.

А.Г. Ивашко доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационных систем ТюмГУ.

© ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», 2013

© О.В. Андреев, А.А. Вакулин, К.В.Дячук, 2013

Теоретические материалы. 12

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов. 12

1.1. Материаловедение, основные понятия. 12

1.2. Количество материалов. 13

1.3. Классификация материалов по назначению. 14

1.4. Агрегатные состояния вещества. 16

1.5. Кристаллическая структура веществ. 17

1.6. Дефекты в кристаллической структуре веществ. 23

1.7. Уровни структуры материалов. 27

1.8. Физико-химический анализ. Диаграммы состояния. 28

1.9. Сплавы, твёрдые растворы. 35

1.10. Химические соединения. 38

1.11. Зёренная структура поликристаллических материалов. 40

1.12. Основные механические свойства материалов. 43

Вопросы для самопроверки. 51

2.1. Полиморфизм и свойства железа. 54

2.2. Диаграмма состояния системы Fe – Fe3C. 56

2.3. Сравнение основных свойств сталей и чугунов. 59

2.4. Превращения сталей в твёрдом состоянии. 61

2.5. Стали. Классификация сталей. 65

2.6. Термическая обработка и фазовые превращения в сталях. 67

2.7. Превращения в стали при равновесном нагреве и охлаждении. 68

2.8. Диаграмма изотермических превращений аустенита. Мартенситное превращение. 71

2.9. Основные виды термической обработки стали. 77

2.9.2. Нормализация. 79

2.9.4. Отпуск стали. 82

2.10. Углеродистые стали. 85

2.11. Влияние постоянных примесей на углеродистые стали. 88

2.12. Легирующие элементы. Легированные стали, их маркировка. 90

2.13. Жаропрочные и жаростойкие стали. 100

2.14. Коррозионно стойкие стали. 105

Вопросы для самопроверки. 108

Глава 3. Чугуны. 110

3.1. Чугуны, химические и фазовые составы. 110

3.2. Преимущества чугунов. 113

3.3. Виды чугунов доменного производства. 114

3.4. Классификация и маркировка чугунов. 114

3.5. Модифицирование чугунов. 116

3.6. Белый чугун. 120

3.7. Серый чугун. 121

3.8. Высокопрочный чугун. 123

3.9. Ковкий чугун. 125

3.10. Легированные чугуны. 126

3.11. Другие виды чугунов. 131

Вопросы для самопроверки. 134

Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы. 136

4.1. Классификация цветных и редких металлов. 136

4.2. Лёгкие металлы. 138

4.3. Магний и его сплавы. 138

4.4. Применение магния и магниевых сплавов. 141

4.5. Алюминий и его сплавы. 142

4.6. Маркировка алюминиевых сплавов. 144

4.7. Классификация алюминиевых сплавов. 146

4.8. Области применения алюминиевых сплавов. 161

4.10. Области применения титана. 161

4.11. Медь и медные сплавы. 163

4.14. Марки и области применения бронз. 170

4.15. Сплавы меди мельхиор, нейзильбер, куниаль. 171

4.16. Свинец и цинк. 174

4.17. Никель и кобальт. 175

Вопросы для самопроверки. 179

Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами. 180

5.1. Металлические проводниковые материалы. 180

5.2. Электромеханические свойства меди и алюминия. 182

5.3. Перспективы развития проводниковых материалов. 184

5.4. Полупроводниковые материалы. 186

5.5. Магнитные материалы. 189

5.6. Тугоплавкие металлы и сплавы. 190

5.7. Сверхпроводящие материалы. 193

5.8. Сплавы с эффектом памяти формы. 197

Вопросы для самопроверки. 198

Глава 6. Полимеры. 200

6.1. Общие сведения. 200

6.2. Классификация полимеров. 201

6.2.1. Классификация по происхождению. 202

6.2.2. Классификация по структурным признакам. 202

6.3. Общие свойства полимеров. 203

6.3.1. Физические свойства. 204

6.3.2. Механические свойства. 204

6.3.3. Теплофизические свойства. 205

6.3.4. Химические свойства. 205

6.3.5. Электрические свойства. 206

6.3.6. Технологические свойства. 207

6.3.7. Старение полимеров. 208

6.3.8. Радиационная стойкость полимеров. Абляция. 208

6.4. Пластические массы. 209

6.5. Виды пластических масс. 210

6.5.1. Полиэтилен. 210

6.5.2. Полипропилен. 212

6.5.3. Поливинилхлорид. 212

6.5.4. Полистирол. 213

6.5.5. Фторопласты. 214

6.5.7. Полиакрилаты. 217

6.5.8. Фенолформальдегидные смолы (ФФС). 217

6.5.9. Эпоксидные смолы. 219

6.5.10. Поликарбонатые полимеры. 220

6.6. Каучук, природный каучук. 223

6.7. Синтетические каучуки. 225

6.9. Синтетические эмали, лаки, компаунды. 230

6.10. Полимерные клеи. 231

6.11. Полимеры в медицине. 233

6.12. Биологически разлагаемые пластики на основе природных полимеров. 234

Вопросы для самоконтроля. 240

Глава 7. Керамика. 242

7.1. Понятие керамики. 242

7.2. Керамика как альтернативный материал. 243

7.3. Состав керамики. 244

7.3.1. Глинистые породы. 244

7.3.2. Свойства глин. 246

7.3.3. Керамика на основе технических оксидов. 248

7.3.4. Керамика на основе бескислородного технического сырья. 249

7.4. Структура керамики. 250

7.5. Свойства керамики. 250

7.6. Керамика на основе глинистого сырья. 252

7.6.4.Огнеупорная керамика на основе глин. 255

7.7. Виды технической керамики. 256

7.7.1. Масштабы производства высокотехнологичной керамики. 256

7.7.2. Керамические, пьезокерамические материалы. 256

7.7.3. Керамические материалы с химическими функциями.. 257

7.7.4. Керамические материалы для ядерной энергетики. 257

7.7.5. Конструкционная керамика. 258

7.8. Характеристики некоторых керамик. 259

7.8.1. Высокоглиноземистая керамика. 259

7.8.2. Керамика из нитрида и карбида кремния. 260

7.8.3. Другие виды технической керамики. 261

Вопросы для самопроверки. 262

Глава 8. Стекло. 264

8.1. История стекла. 264

8.2. Отличительные особенности стекла как материала. 266

8.3. Структура веществ в стеклообразном состоянии. 267

8.3.1. Кристаллическое и стеклообразное состояния. 267

8.3.2. Кристаллохимическое описание строения стекол. 268

8.3.3. Кварцевое стекло. 269

8.3.4. Бинарные щелочно-силикатные стекла. 270

8.3.5. Фосфатные стекла. 271

8.3.6. Микронеоднородное строение стекол. 271

8.4. Классификация стекол по составу. 272

8.5. Свойства стекол. 273

8.6. Виды стёкол. 281

Вопросы для самопроверки. 293

Глава 9. Композиционные материалы. 295

9.1. Строение и признаки композиционных материалов. 295

9.2. Классификация. 297

9.3. Физико-химические основы создания композиционных материалов. 299

9.4. Области применения композиционных материалов. 300

9.5. Виды композиционных материалов. 301

9.5.1. Композиционные материалы с металлической матрицей. 301

9.5.2. Волокнистые композиционные материалы. 301

9.5.3. Дисперсионно-упрочненные композиционные материалы. 302

9.5.4. Композиционные материалы с неметаллической матрицей. 301

9.5.5. Углепласты. 305

9.5.6. Бороволокниты. 309

9.5.7. Органоволокниты. 310

9.6. Получение композиционных материалов на металлической основе, армированных волокнами. 311

9.7. Основные методы получения композиционных материалов. 313

Вопросы для самопроверки. 314

Глава 10. Древесные материалы. 315

10.1. Древесина как материал. 315

10.2. Лиственные и хвойные породы. 316

10.3. Части дерева. 316

10.4. Макроскопическое строение дерева. 318

10.5. Химический состав древесины и её микроскопическое строение. 320

10.6. Физические свойства. 322

10.7. Механические свойства. 325

10.8. Пороки древесины. 328

10.9. Виды хвойных пород. 333

10.10. Виды лиственных пород. 335

10.11. Пиломатериалы и продукты переработки древесины. 339

10.12. Виды изделий из дерева. 341

10.13. Модифицированная древесина. 343

10.14. Термически обработанная древесина (термодревесина). 344

10.15. Области применения древесины. 346

Вопросы для самоконтроля. 351

Глава 11. Строительные материалы. 354

11.1. Виды строительных материалов. 354

11.2. Цемент, портландцемент. 356

11.3. Цементные растворы. 358

11.4. Бетон. Классификация бетонов. 359

11.5. Компоненты бетона. 361

11.6. Марка, класс и прочность бетона. 363

11.7. Лёгкие бетоны. 364

11.8. Тяжелые бетоны. 367

11.9. Кирпич строительный. 368

11.9.1. Размеры кирпича. 369

11.9.2. Пустотность кирпича. 369

11.9.3. Марка кирпича. 370

11.9.4. Морозостойкость кирпича. 371

11.9.5. Строительные кирпичи. 371

11.10. Добавки наноразмерных частиц в бетоны. 374

Вопросы для самопроверки. 376

Глава 12. Наноматериалы. 378

12.1. Терминология наноразмерных объектов 379

12.2. Физические причины специфики наноматериалов 380

12.3. Классификация наноматериалов 383

12.4. Фуллерены, фуллериты 389

12.5.Углеродные нанотрубки. 391

12.7. Размерность процессоров. 400

12.8. Фториды редкоземельных элементов 404

Вопросы для самопроверки. 410

Тесты для самоконтроля. 414

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов. 414

Глава 3. Чугуны. 419

Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы. 421

Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами. 424

Глава 6. Полимерные материалы. 427

Глава 7. Керамика. 429

Глава 8. Стекло. 430

Глава 9. Композиционные материалы. 432

Глава 10. Древесные материалы. 433

Глава 11. Строительные материалы. 435

Глава 12. Наноструктурированные материалы. 436

Ключи к тестам для самоконтроля. 437

Задания для курсовой работы. 438

Вопросы для подготовки к экзамену. 441

Список источников информации. 459

Предисловие.

Дисциплина «Материаловедение и технология конструкционных материалов» входит в учебные планы подготовки инженеров и нескольких естественнонаучных направлений бакалавриата. Изучение этой дисциплины направлено на систематизацию уже имеющихся у студентов знаний и приобретение ими новых знаний. Необходимость в написании данного учебного пособия возникла в связи с вводом в действие ФГОС ВПО третьего поколения и соответствующими изменениями в учебных планах, а также развитием дистанционных методов обучения. Его содержание опирается на ранее опубликованные нами учебные пособия: «Материаловедение и технология конструкционных материалов. Ч. 1. Металловедение» [1], «Материаловедение и технология конструкционных материалов. Ч. 2. Неметаллические материалы» [2], «Материаловедение» [3]. Одной из задач авторов было создание книги, полезной как студентам очной формы обучения, так и для студентов, обучающихся дистанционно (или заочно). Эта задача обусловила структуру пособия, состоящего из глав с однотипным построением. В разных вузах, с учетом отраслевой направленности и объема часов, выделенных на освоение дисциплины, может варьироваться количество глав, а также объем изучаемого материала. Особенностью данной книги является большое количество имеющегося в ней справочного материала, поэтому его можно использовать и как справочник. При этом для каждого из видов материалов представлены как общепринятые данные, так и современная информация о материалах.

Представляемое учебное пособие состоит из двенадцати глав. В первой главе рассматривается кристаллическая структура веществ, в последующих одиннадцати главах – материалы: стали, чугуны, цветные металлы, металлы и сплавы с особыми физическими свойствами, полимеры, керамика, стекло, композиционные материалы, древесина, строительные материалы, наноматериалы.

Книга написана на основе многолетнего опыта преподавания авторов на физическом, химическом и экономическом факультетах, а также в Институте математики, естественных наук и информационных технологий и Институте дистанционного обучения Тюменского государственного университета.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам:

В.М. Матюнину доктору технических наук, профессору кафедры технологии металлов МЭИ(ТУ), г. Москва;

И.М. Ковенский, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой материаловедения и технологии конструкционных материалов ТГНГУ;

А.Г. Ивашко доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационных систем ТюмГУ;

за внимательное прочтение рукописи и сделанные ценные замечания.

Мы также будем благодарны читателям за указание возможных неточностей и высказанные пожелания, которые просим направлять по электронной почте: Vakulin@sibtel.ru и andreev@utmn.ru.

Книга подготовлена к изданию при финансовой поддерки НИР 7-12 (3.3763.2011).

Теоретические материалы.

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов.

Уровень материалов определяет уровень развития цивилизации

В материаловедение свойства материалов рассматриваются в последовательности «состав – структура – свойство».

Цель:

Сформировать представление о материаловедении как о науке, изучающей строение и свойства материалов.

Задачи:

— прочитать и понять определения данные в разделе;

— привести свои примеры различных видов материалов.

— представить, как устроена кристаллическая структура, и какие виды элементарных ячеек в ней выделяют;

— понять основные определения кристаллохимии;

— ознакомиться с основными видами элементарных ячеек металлов и понять, как им присваиваются краткие обозначения;

— уяснить в чём различия между точечными и линейными дефектами в реальной структуре веществ;

— узнать, как строится диаграмма состояния;

— выяснить, какими механическими свойствами характеризуются материалы и как данные свойства измеряются.

Дата добавления: 2019-02-22 ; просмотров: 1710 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Материаловедение. Технология конструкционных материалов (стр. 1 )

pandia next page Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8

1512382107fs9sk

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета

Томского политехнического университета

Х324 Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие в 2-х ч. Часть 2 / ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 128 с.

Во второй части пособия изложены научные основы материаловедения, закономерности формирования структуры и свойств металлических и неметаллических конструкционных материалов. Показана взаимосвязь между структурой и свойствами материалов. Даны современные представления о механизме упрочнения и разупрочнения металлов и сплавов. Рассмотрены широко применяемые и перспективные сплавы черных и цветных металлов, в том числе жаропрочные и жаростойкие. Приводятся краткие сведения о полимерных, керамических и композиционных материалах.

Доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник ИФПМ СО РАН

Доктор физико-математических наук,

профессор кафедры физики ТГАСУ

© ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», 2011

image001 7
image002 6© Обложка. Издательство Томского
политехнического университета, 2011

Что и как изучает материаловедение

Нет необходимости объяснять, что такое материал. Все, что нас окружает, вся наша техника, здания, сооружения, предметы обихода состоят из различных природных или искусственно полученных материалов. В пределе понятие «материал» аналогично понятию «вещество».

Роль материалов в истории человечества настолько важна, что целые эпохи развития цивилизации названы по имени преобладавших материалов: каменный век, бронзовый век, железный… Освоение новых материалов позволяло обществу перейти на новую ступень, более полно удовлетворять свои потребности. Поэтому вместе с развитием человечества накапливалось и знание о свойствах природных и искусственных материалов. В современном мире материаловедение является динамично развивающейся наукой, одним из самых актуальных и перспективных направлений человеческой деятельности. Томск не остался в стороне: у нас успешно действует и сотрудничает с ТПУ Институт физики прочности и материаловедения в составе Томского научного центра СО РАН.

Материаловедение – это прикладная наука о связи между составом, структурой и свойствами материалов, а также о влиянии различных видов обработки на их структуру и свойства.

Взаимосвязь эта выражается следующей схемой:

image003 5

image004 6image005 4 image005 4Состав

image006 6image007 4 image007 4и Структура Свойства Применение

Обратите внимание на направленность этой взаимосвязи: от химического состава и технологии получения зависит структура материала, а структура, в свою очередь, определяет его свойства. Области применения одного и того же материала могут быть очень разнообразны, в зависимости от его структуры и свойств.

Методы исследования в материаловедении

Теоретическими основами современного материаловедения являются физика и химия (особенно физическая химия); кроме того, в ходе изучения этой дисциплины понадобятся представления из таких технических наук, как сопротивление материалов, детали машин, прикладная механика. Материаловедение развивается прежде всего экспериментальным путем, но в ХХ столетии был создан и продолжает совершенствоваться математический аппарат, позволяющий до эксперимента просчитывать поведение материала в различных условиях, создавать модели структуры и выбирать оптимальную.

Структура – важнейшее понятие в материаловедении. Можно сказать, что под структурой понимается состав, размеры и форма, количественное соотношение и пространственное расположение составляющих материал частиц. В зависимости от размеров этих частиц и применяемых методов их выявления различают понятия:

макроструктура (строение материала, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы; размер объектов до 10-4 м, или 0,1 мм),

микроструктура (строение материала, наблюдаемое с помощью оптического микроскопа; размер объектов до 10-7 м, или 0,1 мкм),

тонкая структура (строение молекул и атомов, расположение элементарных частиц в молекулах и кристаллах). Изучается с помощью рентгеноструктурного анализа, непосредственно наблюдается в электронном микроскопе. Размер объектов до 10-10 м, или 0,1 нм.

Сравнительно недавно (конец XX в.) появилось понятие наноструктуры. Под наноструктурой понимают объекты в материале, имеющие величину от долей нанометра до 100 нм. (1 нм = 10-9 м.)

Задачи и возможности материаловедения

Создание новых материалов и познание закономерностей их поведения позволяет экономить сырье, уменьшать массу машин и конструкций, добиваться большей точности изготовления деталей, повышать надежность и долговечность техники, увеличивать мощность двигателей.

Цель изучения дисциплины «Материаловедение»

Инженеры-теплоэнергетики должны представлять, как «устроены» материалы, из которых изготовлены детали турбин и котлов, различные конструкции атомных и тепловых электростанций. Надо знать свойства материалов в условиях эксплуатации, их реакцию на изменение нагрузок, температуры и других условий внешней среды. Это дает возможность грамотно решать многие вопросы: выбор материалов для различных изделий, пригодность деталей к дальнейшей эксплуатации, вероятность выхода из строя, предотвращение аварийных ситуаций.

Классификация конструкционных материалов

Конструкционными называются материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, сооружений, которые работают в условиях механических нагрузок. Конструкционные материалы должны сопротивляться этим нагрузкам, т. е. не разрушаться и не деформироваться при эксплуатации.

Применяемые в современной технике конструкционные материалы можно классифицировать по различным признакам. (Например, по назначению.) Так как структура материала в значительной степени определяет его свойства, то рассмотрим классификацию конструкционных материалов по структуре. За главный признак здесь принята степень упорядоченности элементов структуры в пространстве. Можно выделить четыре основные группы материалов:

image008 5

Материалы первой группы – кристаллы – имеют упорядоченное расположение частиц в пространстве. Эти частицы могут представлять собой атомы, ионы или молекулы в разных типах кристаллов.

Важнейшее свойство кристаллов – сохранять форму при нагреве до определенной температуры, при которой происходит плавление.

image009
В процессе охлаждения из жидкого состояния кристаллизация, или переход в твердое состояние происходит при той же температуре. Кривые нагрева и охлаждения у кристаллических веществ симметричны и имеют четко выраженные горизонтальные участки (рис. 1, а). Их протяженность соответствует времени, необходимому для разрушения или установления правильного, упорядоченного расположения частиц в объеме кристалла.

Рис. 1. Кривые нагрева и охлаждения

кристаллического (а) и аморфного (б) вещества

К кристаллам относятся все металлы и сплавы, существуют также ионные, ковалентные и молекулярные кристаллы.

Противоположная кристаллам группа – это аморфные материалы, или стекла. Они не имеют упорядоченного расположения частиц (атомов, молекул) в пространстве. Их структура подобна структуре жидкости, где возникают и исчезают отдельные участки с упорядоченным строением. Они и являются, по сути, переохлажденными жидкостями с огромной вязкостью.

Стекла при нагревании размягчаются постепенно, при охлаждении постепенно затвердевают. Кривая нагрева и охлаждения у них плавная, без перегибов и ступенек (рис. 1, б).

Стекла – твердые, но очень хрупкие материалы, устойчивы в агрессивных средах; обычно используются их оптические свойства.

Примерами таких материалов являются широко применяемое оконное силикатное стекло и другие виды стекол. Их получают сплавлением основных и кислотных оксидов при высоких температурах.

Многие вещества могут существовать как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии; научились получать даже аморфные металлы.

Керамики – это материалы, полученные спеканием минеральных порошков при высокой температуре. Они состоят, в основном, из кристаллической фазы с аморфными прослойками, имеют значительную пористость. Кристаллическая фаза представляет собой ионные и ковалентные соединения.

Традиционные керамические материалы изготавливаются из глин различного состава. Это кирпич, строительная и бытовая керамика.

Современная тонкая керамика содержит мало пор и может состоять полностью из кристаллической фазы.

Свойства керамики: очень твердые материалы, выдерживают высокие температуры, долговечны, но по сравнению с металлами более хрупки.

Примеры современной технической керамики: огнеупоры, твердые сплавы, антифрикционные материалы, фильтры, теплоизоляционные материалы, плотная керамика для деталей машин, электроизоляторы.

Пластмассы, или высокополимеры – это искусственные твердые материалы с большой молекулярной массой (свыше 104 атомных единиц). Структурным элементом в пластмассах является макромолекула – линейное или разветвленное образование из большого числа молекул мономера, соединенных ковалентными связями: (–CH2–CH2–)n.

В термопластичных пластмассах между макромолекулами действуют только относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса; в термореактивных полимерах линейные макромолекулы соединены поперечными ковалентными связями.

Макромолекулы в пластмассах способны образовывать упорядоченные пространственные структуры, или кристаллы, но полностью кристаллической пластмасса не становится, всегда присутствует какая-то доля неупорядоченной, аморфной структуры.

Пластмассы менее прочны, чем металлы и сплавы, имеют низкую теплостойкость, со временем теряют свои полезные свойства – стареют.

Примеры самых популярных полимерных материалов: полиэтилен, полистирол, фторопласт, текстолит, стеклопластики. Близки по строению к пластмассам другие полимерные материалы – резины.

Надо отметить, что существуют материалы, называемые композитами, или композиционными материалами, которые нельзя причислить ни к одной из этих групп, так как они состоят из материалов разного происхождения. Композиты могут состоять из металла и керамики, из полимера и стекла. Такие материалы сочетают свойства исходных компонентов, а по некоторым свойствам превосходят их.

Требования к конструкционным материалам

К конструкционным материалам предъявляется комплекс требований: эксплуатационных, экономических и технологических.

Важнейшими являются эксплуатационные требования. Это прочность, надежность и долговечность. Иными словами, материал должен надежно работать в условиях эксплуатации в течение длительного, рационально обоснованного периода времени.

В наибольшей степени этому комплексу требований удовлетворяют кристаллические конструкционные материалы: металлы и их сплавы. Эта группа составляет до 80 % объема всех выпускаемых конструкционных материалов.

image010 5

Раздел I ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Металлами являются 88 из 110 известных химических элементов. Свойства металлов обусловлены металлическим типом связи: положительно заряженные ионы расположены упорядоченно, валентные электроны принадлежат всем ионам в металлическом кристалле и могут свободно перемещаться, образуя электронный газ. Между положительно заряженными ионами и электронами действуют электростатические силы притяжения.

Металлы проявляют следующие характерные свойства:

2) Положительный температурный коэффициент электросопротив-ления (с повышением температуры электросопротивление растет).

3) Способность к термоэлектронной эмиссии (при нагреве поверхность металла испускает электроны).

4) Непрозрачность, металлический блеск.

5) Высокую пластичность, т. е. способность деформироваться без разрушения.

Почему металлы проявляют такие свойства?

Валентные энергетические зоны атомов в металле перекрываются, образуя общую зону со свободными подуровнями. В пределах этой зоны свободные электроны могут перемещаться, обеспечивая прохождение тока и тепла. Именно свободные электроны являются носителями электрического заряда и тепловых колебаний.

С повышением температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний ионов вокруг равновесных положений, свободное перемещение электронов затрудняется, и электросопротивление растет.

Слабая связь валентных электронов в металле с ядром позволяет им легко отрываться при получении дополнительной энергии (при нагреве, например) и улетать с поверхности металла в окружающее пространство. Так возникает термоэлектронная эмиссия. Этот эффект используется, в частности, в кинескопах телевизоров.

Закономерно расположенные слои атомов (ионов) обладают высокой отражательной способностью, в том числе по отношению к видимой части спектра. Отсюда блеск поверхности металлов, их непрозрачность даже в самых тонких фольгах.

Металлическая связь ненаправленная: каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше других, поэтому металлы образуют компактные, плотно упакованные кристаллические структуры. Это позволяет легко смещать одни слои атомов относительно других, вместо нарушенных межатомных связей тут же образуются новые. Металл деформируется, но не разрушается, т. е. проявляет пластичность. Именно это уникальное свойство позволило металлам стать важнейшим конструкционным материалом, обеспечивая одновременно надежность в работе и технологичность при изготовлении.

Кристаллическое строение металлов

Расположение атомов в металлах

Почти все металлические изделия являются поликристаллами, т. е. состоят из огромного числа мелких кристалликов или зерен. Микроанализ позволяет увидеть границы зерен, оценить их размер и форму. В электронике, вычислительной технике широко применяются единичные, специально выращенные кристаллы – монокристаллы.

В каждом зерне атомы (ионы) расположены закономерно, образуя пространственную кристаллическую решетку. Такая решетка представляет собой систему линий, соединяющих центры соседних атомов. На самом деле этих линий в кристалле нет, атомы имеют шарообразную форму и соприкасаются внешними электронными оболочками. Но чтобы яснее представить расположение атомов в кристалле, удобно изображать только центры тяжести атомов (в виде точек или кружков) и соединять их линиями, означающими межатомную связь (рис. 2).

image011 0

Рис. 2. Схема кристаллического строения металлов

Данные о межатомном расстоянии и взаимном расположении атомов в кристалле получают с помощью рентгеноструктурного анализа. Непосредственно наблюдать строение атомных плоскостей можно в современном электронном микроскопе (сканирующем туннельном или атомно-силовом).

Что удерживает атомы в кристалле?

Атомы в кристалле расположены на строго определенном расстоянии, на котором энергия взаимодействия между ними минимальна. Силы притяжения и отталкивания между двумя соседними атомами с увеличением расстояния уменьшаются. Но это уменьшение не одинаково: силы отталкивания уменьшаются быстрее. Равнодействующая сила проходит через нуль при некотором межатомном расстоянии d0. На этом расстоянии силы притяжения и отталкивания уравновешиваются: Fпр = Fотт (рис. 3, а), а энергия связи Eсв минимальна (рис. 3, б). Поэтому кристалл термодинамически стабилен.

image012 4
Рис. 3. Зависимость сил межатомного взаимодействия (а)

и энергии взаимодействия (б) от расстояния между атомами

Каждое кристаллическое вещество имеет свое значение энергии связи, это важнейшая термодинамическая характеристика кристалла. От величины энергии связи зависят температура плавления Ts, модуль упругости E, температурный коэффициент линейного расширения eл.

Типы кристаллических решеток

Наименьший объем кристаллической решетки, который характеризует расположение атомов в кристалле, называют элементарной кристаллической ячейкой (рис. 4). Перемещая элементарную кристаллическую ячейку вдоль трех пространственных осей, можно получить кристалл любой величины, так же как из одинаковых кирпичиков строятся разные по величине и архитектуре здания.

image013 1
Рис. 4. Элементарная кристаллическая ячейка:

пространственное изображение (а) и схема (б)

По форме элементарных ячеек все кристаллические материалы подразделяются на 7 кристаллических систем. Любую из них можно охарактеризовать шестью параметрами: тремя линейными (размерами a, b и c ячейки по трем осям координат) и тремя угловыми (углами a, b и g между этими отрезками).

Межатомные расстояния измеряются в нанометрах (нм) или ангстремах (Å). 1 нм = 10-9 м; 1 нм = 10 Å. Размеры элементарных ячеек металлов составляют от 2 до 6 Å, или от 0,2 до 0,6 нм.

У металлов чаще всего встречаются три типа кристаллических решеток из 14 возможных:

Кубическая система Гексагональная система

a = b = c, a = b = g = 90° а = b ¹ с, a = b = 90°, g = 120°

image014 1image015 2image016 1

1) объемно-центрированная 2) гранецентрированная 3) гексагональная

кубическая решетка (ОЦК) кубическая решетка (ГЦК) плотноупакованная

Такие решетки имеют следующие металлы:

Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Fea Cu, Ni, Ag, Au, Pb, Pt, Mg, Co, Zn, Cd, Be,

На изображении ГПУ решетки показаны три соседних элементарных ячейки, чтобы было понятно, почему эта решетка называется гексагональной. Одна из ячеек выделена жирными линиями и штриховкой.

image017 0
Гексагональная решетка является плотноупакованной только в случае, когда отношение c/a = 1,633, или близко к этому значению. Для такой плотной укладки атомов в решетке центры атомов второго слоя должны располагаться над центрами лунок между атомами первого слоя и т. д. (рис. 5).

Рис. 5. Плотная укладка атомов в ГПУ решетке

Плотность упаковки элементарных частиц в кристалле определяется двумя параметрами:

1) координационным числом – числом ближайших соседей, т. е. атомов, равноудаленных от данного. В ОЦК решетке координационное число K8, что легко увидеть на изображении элементарной ячейки; в ГЦК решетке – K12, что очевидно при рассмотрении 8 соседних элементарных ячеек; в ГПУ решетке – тоже K12, а в простой кубической – K6;

2) коэффициентом компактности – отношением объема атомов, приходящихся на одну ячейку, к ее объему:

Vат/Vяч = 0,52 в простой кубической решетке,

Vат/Vяч = 0,68 в ОЦК решетке,

Vат/Vяч = 0,74 в ГЦК решетке и ГПУ решетке.

Обратите внимание на то, что между атомами (ионами) в металле всегда имеются поры: шары не могут заполнить весь объем.

Некоторые металлы при изменении внешних условий (температуры или давления) изменяют тип кристаллической решетки. При этом химически они остаются теми же самыми веществами. Явление перестройки решетки называется полиморфным превращением. Один и тот же металл с разными кристаллическими решетками называют полиморфными модификациями данного металла. Обозначают полиморфные модификации греческими буквами, начиная с низкотемпературной: Mea ® Meb ® Meg ® Med.

Например, железо Fea с ОЦК решеткой существует ниже 911 ºC,

с 911 до 1392 ºC оно имеет ГЦК решетку и обозначается Feg,

а при 1392 ºC решетка снова превращается в ОЦК и сохраняется до температуры плавления (1539 ºC).

Полиморфное превращение у титана происходит при 882 ºC, при этом Tia c ГПУ решеткой превращается в Tib с ОЦК решеткой.

Анизотропия свойств металлов

Анизотропией называется зависимость свойств металлов от направления в кристаллической решетке. Так как расстояния между атомами различны по разным направлениям, то и энергия связи тоже различна. Поэтому должны отличаться и свойства. Очень заметна анизотропия свойств в кристаллах с низкой симметрией, а в высокосимметричных кубических решетках металлов она проявляется меньше. От направления в решетке зависят коэффициент линейного расширения, удельное электросопротивление, магнитные свойства.

Но не надо забывать, что анизотропен единичный кристалл – монокристалл. Поликристаллические изделия из металла кажутся изотропными, так как в мельчайших кристалликах, из которых они состоят, направления атомных плоскостей не совпадают. Среднее расстояние между атомами оказывается примерно одинаковым по всем направлениям.

Дефекты кристаллического строения

Идеальные кристаллы в природе не встречаются. Реальные кристаллы, в том числе металлы, всегда имеют отклонения от правильного строения, или дефекты.

Дефекты кристаллического строения классифицируют по геометрическому признаку – по размерам. Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты.

1) Точечными называют дефекты, которые малы во всех трех пространственных направлениях, т. е. соизмеримы с межатомным расстоянием. Это вакансии, межузельные атомы, примеси замещения и внедрения.

Вакансия – это отсутствие атома в узле кристаллической решетки, «пустое место». Атомы вокруг вакансии сближаются, так как в этом месте Fпр > Fотт. Кристалл как бы сжимается, стремится «залечить» дефект (рис. 6, а).

Вакансии играют огромную роль в процессах диффузии: они способствуют движению атомов внутри металла.

Число их растет с увеличением температуры: атомы с поверхности металла могут улетать, получив дополнительную энергию, а образовавшиеся вакансии продвигаются вглубь металла.

Межузельный атом – это собственный, «родной» атом металла, выбитый из узла. Их всегда меньше, чем вакансий. Вокруг межузельного атома соседи раздвигаются: здесь Fотт > Fпр (рис. 6, б).

image018 3Примесной атом, или примесь – это атом другого, «чужого» вещества, попавшего в металл (обычно из руды при выплавке). Примесные атомы могут замещать собственные в узлах кристаллической решетки (примесь замещения) или занимать поры между ними (примесь внедрения). Примесные атомы искажают решетку сильнее, чем собственные межузельные (рис. 7).

image019 0

Из всех точечных дефектов существенное влияние на прочность металла оказывают только примеси, особенно примеси внедрения. Они затрудняют пластическую деформацию металла, поэтому повышают прочностные характеристики.

Рис. 7. Точечные дефекты: примесные атомы

2) Линейными называют дефекты, которые малы только в двух пространственных направлениях, а в третьем имеют протяженность в тысячи и миллионы межатомных расстояний. Эти дефекты называют дислокациями. Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные.

Краевая дислокация – это область под краем незавершенной, недостроенной атомной плоскости в металле. (Можно сказать и «над краем», так как понятия «низ» и «верх» в тонкой структуре металла не имеют значения.) Недостроенная плоскость является как бы «лишней», нарушающей идеальную структуру металла (рис. 8, а). Ее называют экстра-плоскостью.

Краевая дислокация может возникнуть при воздействии силы P, деформирующей кристалл: в верхней части кристалла сдвиг прошел до линии AB, а левее этой линии кристалл остался недеформированным. Возникла экстра-плоскость, край ее AB и есть линия краевой дислокации (рис. 8, б).

image020 3У края экстра-плоскости создается разрежение атомов, поэтому ближайшие к нему атомы сдвигаются в сторону отсутствующего ряда. Решетка здесь стремится сжаться, «закрыть» дефект. Область искажения решетки мала в двух направлениях, а в третьем может проходить через весь кристалл. Можно представить краевую дислокацию как трубку диаметром в 2-3 межатомных расстояния, но очень большой длины. В эту разреженную область должны стремиться атомы примесей, так как это энергетически выгодно.

Винтовая дислокация подобна винтовой лестнице; это атомная плоскость, закрученная в спираль и ставшая винтовой поверхностью.

image021 3Условно можно представить, что винтовая дислокация возникает, если надрезать кристалл до какой-то прямой AB, а затем сдвинуть одну надрезанную половинку вниз относительно другой на одно межатомное расстояние. В области надреза образуется ступенька на каждой атомной плоскости. Получается, что весь кристалл представляет собой винтовую поверхность, «закрученную» вокруг линии AB (рис. 9).

Чаще всего встречаются смешанные дислокации: краевая и винтовая переходят одна в другую. На рис. 10 AB – линия смешанной дислокации.

image022 4Количество дислокаций в металле характеризуют их плотностью. Плотность дислокаций ρ – это суммарная их длина в единице объема:

image023 3.

Дислокации возникают при зарождении и росте кристаллов, а также при деформации.

Дислокации играют важнейшую роль в теории прочности, пластичности и разрушения металлов. Влияние их на прочность неоднозначно: с появлением дислокаций прочность идеального кристалла резко снижается, но при очень большой их плотности снова начинает расти (рис. 11).

image024 3

Рис. 11. Влияние плотности дислокаций на прочность:

1 – идеальный кристалл; 2 – «усы», кристаллы с минимальной плотностью дефектов;

3 – отожженные металлы; 4 – сильно деформированные металлы

с высокой плотностью дислокаций

3) Поверхностными называют дефекты, которые малы в одном направлении, а в двух других – намного больше межатомного расстояния. Это границы зерен в поликристаллах, границы субзерен и двойников:

image025
Угол разориентировки между двумя соседними зернами может быть любым, а между двумя субзернами в зерне – не более 6º.

Рис. 12. Поверхностные дефекты: границы зерен, субзерен и двойников

Очень важно хорошо представлять, что граница зерна – это не «стена» из чего-то между соседними зернами и не пустота между ними. Это область, где нарушается строго упорядоченное строение металла: атомные плоскости в одном зерне не имеют продолжения в соседнем, там атомные плоскости расположены в другом направлении.

Надо также не забывать, что границы зерен – не линии, хотя именно так мы видим их на отполированной и протравленной поверхности металла. Это поверхности раздела между зернами, представляющими собой неправильные многогранники. Каждое зерно как бы «завернуто» в свою границу.

Влияние поверхностных дефектов на прочность металла велико: границы зерен и субзерен являются препятствиями для развития деформации, а значит – упрочняют металл. Чем больше поверхность границ в единице объема, тем прочнее металл. Понятно, что в мелкозернистом металле площадь поверхности границ больше, чем в крупнозернистом. Поэтому мелкозернистый металл обладает более высокими механическими свойствами по сравнению с крупнозернистым.

4) Объемные дефекты во всех трех измерениях намного больше межатомного расстояния. Это раковины, поры, зародыши трещин, неметаллические включения. Все объемные дефекты являются очагами возможного разрушения, т. е. влияют на прочность отрицательно.

Возможно, причиной катастрофы «Титаника» послужили неметаллические включения в заклепках, соединявших листы корпуса (сварные корпуса тогда еще не делали). Пробоина от столкновения с айсбергом была не так велика, чтобы судно затонуло. Но его корпус разломился практически пополам. Исследователи нашли, что 15 % из сохранившихся заклепок имели значительные неметаллические включения, следовательно, могли разрушиться при ударе. Поэтому гибель корабля была такой стремительной.

Кристаллизация – это переход металла из жидкого состояния в твердое, кристаллическое. В жидкости не существует дальнего порядка: расстояния между атомами не являются постоянными во всем объеме. В процессе кристаллизации должен установиться этот дальний порядок: во всем объеме металла атомы должны расположиться упорядоченно, образуя кристаллическую решетку.

Процесс кристаллизации может идти самопроизвольно, а может вызываться какими-то искусственными причинами.

Условие самопроизвольной кристаллизации

В термодинамике самопроизвольно идут только те процессы, которые приводят к уменьшению свободной энергии системы. Свободная энергия как жидкого, так и твердого металла снижается с повышением температуры (рис. 13).

Источник

Мир познаний
Добавить комментарий

Adblock
detector