Кристаллическое строение и свойства металлов

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

ВВЕДЕНИЕ

Получение материалов с заданным комплексом свойств, технологии обработки материалов являются основой современного производства, и уровнем своего развития во многом определяют научно-технический и экономический потенциал страны. Никакие эффективные экономические или управленческие решения в любых масштабах, начиная от цеха и заканчивая отраслью, невозможны без знания основ материаловедения. Именно поэтому дисциплина «Материаловедение и технология конструкционных материалов» включена в учебные планы всех специальностей, которые связаны с техникой и промышленностью.

Процесс создания новых машин и конструкций обычно состоит из трех крупных этапов: 1) разработка конструкции от принципиальной схемы до деталировки; 2) выбор материалов; 3) разработка технологии изготовления деталей, и всей машины в целом. В настоящее время разработка принципиально новых материалов производится редко и, в основном, для авиационно-космической техники. Как правило, поступают иначе: выбирают материал из числа уже существующих. Выбор основывают на комплексе свойств, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкции в заданных условиях эксплуатации. Важный этап выбора материала – оценка его стоимости и дефицитности. Материал должен быть по возможности дешевым с учетом всех затрат, включающих как стоимость самого материала, так и стоимость технологии изготовления из него деталей.

В настоящем учебном пособии рассмотрены физико-химические основы строения и свойств конструкционных металлических и неметаллических материалов, приводятся методы определения механических свойств материалов, излагаются основы термической обработки и поверхностного упрочнения деталей, и также представлены все основные технологические процессы. Особое внимание следует обратить на техническую терминологию (названия материалов и процессов) и инженерное или научное содержание этих терминов, т.к. вся техническая документация на производстве, начиная от технологических карт в цехе и заканчивая бизнес-планом всего предприятия, содержит множество технических терминов. Не понимая их содержания невозможно построить грамотную политику в экономике и управлении предприятием.

Основные типы кристаллических решеток. Металлы являются телами кристаллическими. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах 0,1 – 0,7 нм. На рис. 1.1 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерные для металлов: объемно-центрированная кубическая–ОЦК (V, Fe, Cr), гранецентрированная кубическая – ГЦК (Ni, Al, Ag), гексагональная плотноупакованная – ГПУ (Zn, Mg, Ti).

Для характеристики кристаллических решеток вводят понятие координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом I _К называется число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного атома. Решетка ОЦК менее компактна I _К = 8, чем решетки ГЦК и ГПУ для них I _К = 12.

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары (рис. 1.1), то не трудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности Q. Этот коэффициент равен отношению суммарного объема атомов, входящих в элементарную ячейку, к объему всей ячейки. Для простой кубической решетки Q = 52 %, для ГЦК и ГПУ Q = 74 %. Оставшийся объем ячейки приходится на поры.

Кристаллографические направления и плоскости. В кристаллографии ряды атомов называют атомными плоскостями. Положение атомных плоскостей в кристалле определяется отрезками, отсекаемыми этими плоскостями при их пересечении с осями координат X, Y, Z. Начало координат в этом случае условно совмещают с одним из узлов кристаллической решетки. За индексы плоскостей принято брать отрезки, обратные параметрам решетки a, b, c: h = 1/a, k = 1/b, l = 1/с. Эти числа заключают в круглые скобки и в общем случае называют индексами Миллера (h k l). Например: плоскость

кубической решетки пересекает только ось Y, отсекаемые отрезки равны (¥, 1, ¥), а обратные им величины соответственно – (0,1,0), индексы Миллера в этом случае имеют вид (010). Для плоскости, пересекающей оси X, Y, Z, индексы будут (111), (рис. 1.2, а,б).

Рис.1.1. Схемы кристаллических решеток ОЦК, ГЦК, ГПУ (вверху) и их изображение в виде плотноупакованных шаров (внизу)

Кристаллографические направления проходят через начало координат и узлы кристаллической решетки. Для определения индексов направлений находят координаты узла решетки на соответствующей координатной оси: например, координаты ближайшего атома вдоль оси OX выразятся через 1,0,0 – это и будут индексы Миллера для направления [100], (рис. 1.2, в).

Анизотропия в кристаллах. Свойства материалов зависят от природы атомов, силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов, поэтому их свойства в различных направлениях одинаковы. Такие материалы называют изотропными. В кристаллических материалах свойства вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на соответствующих направлениях. Например, вдоль диагоналей куба ОЦК решетки [111] размещается больше атомов, чем по направлению вдоль ребер куба [100], [010], [001]. Это явление различия свойств вдоль кристаллографических направлений называют анизотропией свойств. Анизотропия проявляется только в пределах одного

кристаллического зерна или монокристалла. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями, следовательно, недостаток свойств по одному направлению компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям.

а) б) в)

Рис. 1.2. Индексы кристаллографических плоскостей (а,б) и направлений (в) в ОЦК решетке

Аллотропия металлов. Некоторые металлы (железо, титан, олово) способны по достижении определенных температур изменять свое кристаллическое строение, т. е. перестраивать тип элементарной ячейки. Так, ОЦК железо, будучи нагрето до 911 °С, перестраивается в ГЦК железо.

Данное явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными переходами. Разные аллотропические формы металлов обозначают буквами греческого алфавита: низкотемпературные модификации обозначают буквой a, последующие в порядке роста температуры – b, g. Наличие полиморфизма имеет важное практическое значение, так как сохраняется и в сплавах на основе таких металлов, например, a- и b-фазы в титановых сплавах.

Дата добавления: 2014-01-07