Раздел 1.Материаловедение
Для изготовления деталей машин требуются материалы с различными свойствами, способные работать при высоких нагрузках, положительных и отрицательных температурах, в агрессивных или абразивных средах.
Материаловедение – наука о связи между составом, структурой и свойствами материалов и закономерностях их изменения при внешних воздействиях.
|
Тема 1.1 Металловедение
Понятие о металлах
Классификация металлов
Основу современной техники составляют металлы и металлические сплавы. Сегодня металлы являются самым универсальным по применению классом материалов.
Металлы – вещества, которые обладают ковкостью, блеском, электропроводностью и теплопроводностью. В технике все металлические материалы называют металлами и делят на две группы.
Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы - цветными.
На основе железа изготовляется до 95 % всех конструкционных и инструментальных материалов. Этосвязано с большим содержанием железа в земной коре, его низкой стоимостью, высокими технологическими и механическими свойствами.
Цветные металлы по сходным свойствам подразделяют на подгруппы:
- легкие металлы (Li, Mg, Be, Al, Ti) c плотностью до 5 г/см3;
- тяжелые металлы (Pb, Mo, Ag, Pt, W, Ta, Ir, Os) с плотностью выше 10 г/см3;
- легкоплавкие металлы (Sn, Pb, Zn) с температурой плавления 232º C, 327º C, 410º С соответственно;
- тугоплавкие металлы (W, Mo, Ta, Nb) c температурой плавления, большей, чем у железа (˃1536º C);
- благородные металлы (Au, Ag, Pt) c выcокой устойчивостью к коррозии;
- урановые металлы;
- редкоземельные металлы;
- щелочные и щелочноземельные металлы (Na, K, Li, Ca).
Атомно-кристаллическое строение металлов
Металлы имеют кристаллическое строение, т.е. характеризуются упорядоченным расположением атомов – кристаллической решеткой.
Минимальный объем кристалла, полностью сохраняющий все его свойства, называется элементарной ячейкой.
Всего для кристаллических тел существует четыре типа решеток:
1. Примитивная – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек.
2. Базоцентрированная кубическая (БЦК) – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях.
3. Объемно-центрированная кубическая (ОЦК)– атомы занимают вершины ячеек и ее центр. Данную решетку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, Ti, W, Ta, Cr и др.
4. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней. Данную решетку имеют металлы: Sr, Tn, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Co идр.
Основными параметрами кристаллической решетки являются:
1. Период – расстояние между центрами ближайших атомов, 
(
).
2. Координационное число – число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.
3. Базис решетки – количество атомов в элементарной ячейке.
4. Плотность упаковки – объем, занятый атомами.
Задача. Рассчитаем число атомов, приходящихся на одну ячейку в решетке ОЦК.
Решение:
Пронумеруем атомы в ячейке. Каждый атом в вершине куба (1-8) принадлежит восьми соседним ячейкам, следовательно, данной ячейке принадлежит 1/8 атома. Таких атомов 8: 
атом и один атом в центре решетки (9). 
.
Ответ: 2 атома.
Неодинаковое число атомов вдоль различных направлений кристаллической решетки приводит к анизотропии - различию физических свойств кристалла в разных направлениях решетки. Все кристаллы анизотропны.
В реальных кристаллах всегда имеются дефекты строения. Несовершенства строения кристаллов связаны с колебательным движением атомов вокруг узлов решетки. Отдельные атомы, называемые дислоцированными, выходят из узла решетки. Место, где находился атом (вакансия) не остается свободным, его занимает атом из более глубоких слоев, в результате решетка искажается.
Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты. Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К ним относятся вакансии, межузельные атомы, атомы примеси.
Линейные дефекты (дислокации) малыв дух измерениях и сколь угодно протяжны в третьем. Поверхностные дефекты образуются на границе отдельных кристаллов (зерен) и малы лишь в одном измерении. Объемные дефекты (пороки кристаллов) – это трещины, включения с другим типом решетки, поры, раковины.
Деффекты в кристаллах сильно влияют на свойства материалов.
Кристаллизация металлов
Кристаллизация – переход металла (сплава) из жидкого состояния в твердое по мере охлаждения.
Некоторые металлы (например, железо, кобальт) с изменением температуры перестраивают свои кристаллические решетки. Такое явление носит название полиморфизма или аллотропии.
При нагреве до 910ºС железо имеет ОЦК решетку и называется альфа-железом (
). В интервале температур от 910ºС до 1390ºС структура кристаллической решетки железа ГЦК и оно называется гамма-железом (
). Выше температуры 1390ºС, вплоть до температуры плавления 1536ºС, у железа снова ОЦК решетка.
В процессе кристаллизации при понижении температуры в жидком металле вначале образуются отдельные участки кристаллической решетки – центры кристаллизации, на которых впоследствии и растут кристаллы.
Размер кристалла (зерна) металла сильно влияет на его механические свойства. Вязкость и пластичность металлов тем выше, чем мельче их кристаллические зерна.
Если расплавленный металл остывает медленно, то число зародышей кристаллов не велико, следовательно, формируются структуры из крупных зерен. При повышении скорости охлаждения количество зерен кристаллов возрастает, а их размер уменьшается.
Мелкозернистую структуру кристалла можно получить в процессе модифицирования – искусственного регулирования скоростью кристаллизации добавлением в расплав металла посторонних веществ (модификаторов).
Величина и форма зерен кристалла меняется при механической обработке металлов ковкой, штамповкой, прокаткой, волочением. Металл в результате пластической деформации становится более прочным.
Упрочнение металла в процессе пластической деформации называют наклепом.
При наклепе зерна кристалла размельчаются и принимают вытянутую форму с ярко выраженной анизотропией.
Нагрев пластически деформированного металла восстанавливает микроструктуру зерен. Этот процесс называют рекристаллизацией.
Процесс кристаллизации металлов описывается кривыми нагрева и охлаждения. Из графиков видно, что чистые металлы плавятся и кристаллизуются при постоянной температуре, поэтому на кривых появляются горизонтальные площадки. С увеличением скорости охлаждения процесс кристаллизации протекает при более низких температурах.
Домашнее задание
[1] стр. 9-13, 16-21.
[1] Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка): учеб. пособие для сред. проф. образования / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. – М.: Академия, 2009