Строение конструкционных материалов

Детали машин чрезвычайно разнообразны. Развитие авиационной техники, ее успехи тесно связаны с прогрессом в области создания прочных, стойких и легких металлических и неметаллических материалов. Современная реактивная техника потребовала применения в конструкции двигателя новых жаропрочных металлических сплавов, способных надежно работать в условиях высоких температур (свыше 1000 ⁰С; в некоторых случаях конструктивная прочность сплава должна сохраняться при температурах 1500 – 2500 ⁰С).

Технически чистые металлы характеризуются низким пределом прочности σ_в, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы.

Для правильного использования имеющихся материалов и для обработки заготовок из них важно иметь представление об их структуре.

Все металлы и большинство неметаллических твердых материалов имеют кристаллическое строение.

Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, образуют кристаллографическую плоскость. Многократное повторение расположенных параллельно кристаллографических плоскостей воспроизводит пространственную кристаллическую решетку.

Все кристаллические тела образуют 7 типов кристаллических решеток, для металлов наиболее характерными из которых являются (рис. 2.1.):

Рис. 2.1. Характерные типы кристаллических решеток:

а) ОЦК – объемно-центрированная кубическая решетка;

б) ГЦК – гранецентрированная кубическая решетка;

в) ГПУ – гексагональная плотноупакованная решетка.

Элементарные частицы, из которых состоят кристаллы тела – это атомы, ионы, молекулы. Расстояние между атомами (а, b, c) называется параметрами решетки и измеряются в ангстремах А=10^{-8 см.}

Свойство кристаллов определяется не только типом кристаллических решеток, но и характером взаимодействия атомов, ионов и электронов между собой.

При переходе паров металла из жидкого в твердое состояние его атомы сближаются, и его электроны получают возможность переходить от одного атома к другому по всему объему металла, обеспечивая при этом высокую электропроводность.

Для многих металлов характерно явление аллотропии (полиморфизма), сущность которого заключается в том, что один и тот же металл может иметь различные типы кристаллических решеток в зависимости от условий, в которых он находится (температура и давление).

Полиморфные превращения свойственны широко применяемым металлам: железу, марганецу, титану, кобальту, олову.

Так, например железо (Fe):

1. При температуре 1539 – 1392 ⁰С – ОЦК; 2,93А (обозначается δ Fe)

2. При температуре 1392 – 911 ⁰С – ГЦК; 3,6А (обозначается γ Fe)

3. При температуре 911 ⁰С – ОЦК; 2,93А (обозначается α Fe)

Явление полиморфизма используют в технике для улучшения обрабатываемости, термообработки, литье и других процессах.

Всем кристаллам присуща анизотропия – это неравномерность свойств в различных направлениях, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической решетке.

От направления действия сил в кристалле зависят такие показатели, как прочность, упругость, термический коэффициент расширения, электропроводность и другие.