Металлы и их сплавы. Классификация конструкционных материалов

1.

Томский политехнический университет
Курс лекций
для студентов направления электромеханика и
электротехника
по дисциплине
Технология конструкционных материалов
(Материаловедение)
доцента кафедры МТМ
Ковалевской Жанны Геннадьевны

2. Рекомендуемая литература

• Ковалевская Ж.Г., Безбородов В.П. Основы
материаловедения. Конструкционные материалы:
учебное пособие. Изд. ТПУ Томск, 2010. 110 с.
• Егоров Ю.П., Лозинский Ю.М., Хворова И.А., Роот Р.В.
Материаловедение: учебное пособие. Изд. ТПУ
Томск, 1999. 160 с.
• Лахтин Ю.М., Леонтьева В.М. Материаловедение:
учебник для студентов машиностроительных
специальностей ВУЗов. – М.: Машиностроение, 1990
– 528 с.
• Гуляев А.П. Металловедение: учебник для студентов
высших технических учебных заведений. – М.:
Металлургия, 1986. – 646 с.

3. Лекция №1

Материаловедение – наука изучающая взаимосвязь
между составом, строением и свойствами
материалов, а так же влияние на их структуру и
свойства различных внешних воздействий.
Химический и
фазовый
состав
материала
Структура
(внутреннее
строение)
Внешние воздействия:
1. Условия
кристаллизации
2. Пластическая
деформация
3. Термическая
обработка
Механические
свойства: прочность,
пластичность,
твердость, ударная
вязкость
Эксплуатационные
свойства: прочность,
надежность,
износостойкость,
теплостойкость и др.

4. Классификация конструкционных материалов

Металлические материалы – все металлы и их сплавы.
1.Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе – стали и
чугуны;
2. Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы,
такие как Cu, Al, Ti, Mg, Zn, Ni и др.;
Неметаллические материалы
1. Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных
соединений – полимеров, как правило, с наполнителями.
2. Керамические материалы (керамика). Основой этих
материалов являются порошки тугоплавких соединений типа
карбидов, боридов, нитридов и окислов. Например: TiC, SiC,
CrB, Ni3B, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2 и др.
Композиционные материалы.
Они представляют собой композиции, полученные искусственным
путем из двух и более как металлических, так и
неметаллических материалов, сильно отличающихся друг от
друга по свойствам. В результате, композиционный материал
имеет новый комплекс свойств.

5. Металлы и их сплавы

Строение металлов
Металлы имеют кристаллическое строение – закономерное
расположение атомов в пространстве с образованием
кристаллической решетки.
В узлах решетки находятся положительно
зараженные ионы. Электроны внешних
валентных связей свободны. Расстояние и
положение ионов определяется
электростатическим притяжением и
отталкиванием между ионами.
Наименьшая часть объёма кристаллической
решетки, которая определяет её систему,
называется элементарной
кристаллической ячейкой. Трансляция
(параллельный перенос) элементарной ячейки
в трех измерениях позволяет построить всю
кристаллическую решетку.
Для описания элементарной кристаллической ячейки используют
три параметра решетки a, b, c
и три угла между этими осями – α, β, γ.

6. Наиболее распространенные типы кристаллической решетки

Объемно-центрированная кубическая
решетка – ОЦК (Fe, Cr, W, V, Mо)
Гексагональная плотноупакованная
решетка – ГПУ (Zn, Mg, Cd)
Гранецентрированная кубическая
решетка – ГЦК (Fe, Cu, Al, Ni)
Тетрагональная решетка
(Fe, Ti, Sn, Zr)

7.

Полиморфизмом (аллотропия) – способность у
некоторых металлов изменять кристаллическую решетку
при изменении температуры.
Примеры:
Железо – имеет две полиморфные модификации:
-железо с ОЦК решеткой, существующее до 911ºС
и -железо с ГЦК решеткой, существующее в интервале
выше 911 ºС.
Полиморфизм может вызывать изменение свойств.

8. Кристаллизация металлов

Кристаллизация металлов – переход материала из жидкого
состояния в твердое упорядоченное, т.е. кристаллическое.
Изменение величины свободной
энергии в зависимости от температуры
Степень переохлаждения разностью между теоретической
и фактической температурами кристаллизации.

9.

Механизм кристаллизации металла состоит из 2-х
элементарных процессов:
1) зарождение центров кристаллизации
2) рост кристаллов из этих центров.
Растущие из центров кристаллизации кристаллы ориентированы
произвольно – они называются зернам.
15 мкм
Металл, состоящий из
большого количества таких
зерен, называется
поликристаллическим.

10.

Дефекты кристаллического строения и их
влияние на свойства материалов
Металлы и сплавы, полученные в
обычных условиях, состоят из
большого количества кристаллов,
то есть имеют
поликристаллическое
строение. Эти кристаллы
называют зернами.
Внутри зерен различают три вида структурных
несовершенств: точечные, линейные и поверхностные.
Все эти несовершенства характеризуются малыми –
соизмеримыми с межатомным расстоянием размерами.
Точечные дефекты малы в трех измерениях.
Линейные дефекты малы в двух измерениях, а в одном
велики – составляют десятки микрометров.
Поверхностные дефекты малы в одном измерении, а в
двух – велики.

11.

Точечные дефекты кристаллической решетки
Это вакансии,
межузельные атомы,
примесные атомы.
Наличие вакансии в решетке сообщает атомам подвижность,
которая называется диффузией. При нагреве металла, атомы
перемещаются – диффундируют.
Диффузия атома в кристаллической решетке, наблюдаемая в
атомно-силовом микроскопе

12.

Линейные дефекты кристаллической решетки
Дислокация – это особая конфигурация расположения
атомов в кристаллической решетке.
Краевую дислокацию
образует лишняя атомная
полуплоскость
(экстраплоскость)
образованная в части
кристалла.
Винтовая дислокация
получается при частичном
сдвиге кристаллической
решетки. При этом образуется
ступенька, проходящая по части
кристалла.

13.

Анализ дислокационной структуры проводят с помощью
электронной микроскопии. Дислокации наблюдаются в виде
нитевидных включений, декорированных атомами легких
элементов: углерода, азота, водорода и т.п.
Плотность дислокаций определяют как совокупную
длину всех дислокаций в единице объема
= l / V [см/см3] или [см–2]

14.

Поверхностные дефекты кристаллического
строения
Поверхностными дефектами являются границы зерен и
субзерен.
При поликристаллическом строении, зерна в металлах
повернуты одно относительно другого, и на границах между
ними атомы не имеют правильного расположения.
Схема и изображение в атомно-силовом микроскопе границы зерен

15.

Объемные дефекты
Объемные дефекты образуются между зернами металла.
Они имеют значительные размеры в трех измерениях и
образуются в процессе производства металла, либо при
изготовлении заготовки или готового изделия. Это поры,
раковины, пустоты, включения шлаков, окислов и
т.д.
Фотография газотермического покрытия с
порами