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.