Основы металловедения (часть 1)

1. ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ

Часть 1
Доцент каф. 903
ЗАДОРИНА Елена Николаевна©
1

2.

Металл суть твердое,
непрозрачное и светлое тело,
которое на огне плавить и
холодное ковать можно.
М.В.Ломоносов
2

3.

3

4. Литература

1. Строение и свойства авиационных
материалов /
под ред. Белова А.Ф., Николенко В.В. –
М.: Металлургия, 1989.
4

5.

2. Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение. –
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2008.
3. Учебное пособие к лабораторным работам
по металловедению. – М.: МАИ,
разные годы издания
5

6.

Металловедение – это
прикладная наука, изучающая
взаимосвязь состава, строения
и свойств металлов и сплавов.
Конструкционные материалы
и изделия из них применяются
в определённых условиях
эксплуатации.
6

7. Взаимосвязи между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов

Химический
состав
Структура
(строение)
Термическая обработка,
химико-термич. обработка
Холодная пластическая
деформация
Технология изготовления
(литье, прокат, порошковая
металлургия)
Свойства
Область применения
7

8.

Типы структур
1
4
2
3
5
1 – однофазная
2 – многофазная
3 – сетчатая
4 – матричная
5 - ориентированная

9. Отличительные особенности металлов

1. Наличие слабо связанных с
ядром наружных
электронов
Для металлов характерны процессы
окисления – отдача электронов и
повышение валентности
Fe0 + O2 → Fe+2O
9

10.

2. Металлический тип связи
В обобществлении принимают
участие электроны всех атомов (в
отличие от ковалентной связи)
10

11.

3. Кристаллическая
(поликристаллическая)
структура (кристаллиты,
зёрна)
Сегодня существуют аморфные и нанокристаллические металлы и сплавы
11

12.

Железный
пирит FeS2:
- монокристалл;
- поликристаллическая
структура
«золото дураков»
12

13.

Пирит
Золото
13

14. Свойства металлов

1. Способность к пластической
деформации
2. Возрастание прочности при
введении элементов, вызывающих
частично ковалентные связи
3. Высокая электропроводность,
повышающаяся с понижением
температуры (при Т→0, ρ→0)
4. Высокая теплопроводность
14

15. Кристаллическое строение металлов

Правильное, закономерное
расположение частиц (атомов,
молекул) в пространстве
характеризует кристаллическое
состояние.
Поэтому в физике кристаллическое
и твердое состояние – синонимы.
15

16.

Кристаллическое состояние
можно представить в виде
пространственной решетки, в
узлах которой расположены
атомы.
Ее называют кристаллической
решеткой.
16

17.

Элементарная кристаллическая
ячейка –
это наименьший комплекс атомов,
который при многократном
повторении позволяет
воспроизвести пространственную
кристаллическую решетку.
Принятое изображение
кристаллических решеток –
условно.
17

18.

(Только читать)
Все элементарные ячейки
кристаллической решетки
определённого типа имеют одни и
те же размер, объём и
расположение атомов.
Атомы могут быть расположены в
вершинах решётки и в других
местах.
18

19.

Кристаллография имеет дело с 14
типами элементарных ячеек в
соответствии с классификацией,
предложенной Браве.
Для однозначной характеристики
решетки надо знать ее параметры:
три ребра (a, b, c – периоды
решетки) и три угла между осями
(α, β, γ).
Используют и другие
характеристики.
19

20. Простая кубическая решетка - ПК

1) a = b = c – периоды решетки (отрезки,
которые решетка отсекает на осях);
2) α = β = γ = 90° (углы, образованные с
плоскостями X0Z, Y0Z и X0Y
соответственно);
20

21.

3) К6 – координационное число (число
ближайших равноудаленных
атомов);
4) Число частиц на элементарную
ячейку = 8*1/8 = 1;
21

22.

5) Коэффициент компактности (плотность
упаковки, т.е. отношение объема,
занятого атомами, ко всему объему
ячейки) – 0,52
6) Атомный (ионный) радиус (половина
наименьшего расстояния между
частицами) rат = a/2
Примеры: Cu, Po, NaCl
22

23.

6 главных
параметров
кристаллической
ячйки
Простая кубическая
структура
(жирым элментарная ячейка)
Элементарная ячейка
23

24. Объёмноцентрированная кубическая структура ― ОЦК

1. Параметры решётки: а =
в = с ; α = β = γ =90о
2. Координационное число
К=8;
3. Плотность упаковки - 2;
4. Коэффициент
компактности - 68%
Примеры: Feα, Cr, V, Mo, W,
Tiβ и другие.
24

25. Гранецентрированная кубическая структура ― ГЦК

1. Параметры решётки:
а = в = с ; α = β = γ =90о
2. Координационное число
К=12;
3. Плотность упаковки - 4;
4. Коэффициент
компактности - 74%
Примеры: Feγ, Ni, Al, Cu,
Au, Ag и другие.
25

26. Гексагональная плотоупакованая структура ― ГПК

1. Параметры решётки:
а = в ≠ с ; α = β = 90о , γ =
120о
2. Координационное число
K=12;
3. Плотность упаковки - 6;
4. Коэффициент
компактности - 74%
Примеры: Tiα, Mg, Zn,Cd и
другие
26

27. Основные типы кристаллических решеток металлов

Периоды
a,b,c
ПК
Fe, Po
ОЦК
Na, K,V,Nb, Cr,
Mo, W, Ti, Feα
ГЦК
Ag,Au,Pt,Cu,Al,
Pb,Ni,Feγ
ГПУ
Be, Mg, Zn,Cd
a=b=c
a=b=c
Углы Коорд. Число
α,β,γ число частиц
1
90°
К6
1/8*8
90°
a=b=c
90°
a=b≠c
α,β= 90°
γ = 120°
К8
К12
Г12
2
1/8*8+1
4
1/8*8+
+1/2*6
6
1/6*12+
1/2*2+3
Коэфф.
компакт.
rат
0,52
a/2
0,68
a√3
4
0,74
a√3
4
0,74
a/2
27

28. К расчёту координационного числа ГЦК и ОЦК решёток

28

29. Полиморфизм (аллотропия)

Некоторые металлы, как и неметаллы,
являются полиморфными, т.е. могут
иметь более одной кристаллической
структуры.
В элементарных твердых телах это
явление часто называют аллотропией.
Пример. Углерод имеет три
аллотропических модификации: алмаз,
графит, карбин
29

30.

Полиморфизм (аллотропия)
– это способность металла
существовать при различных
температурах (давлениях) в
состояниях с различной
кристаллической структурой.
30

31.

При этом существует та
кристаллическая
модификация, у которой
свободная энергия (энергия
Гиббса) G минимальна:
G = H – TS = min,
где Н – энтальпия, S –
энтропия, Т – температура.
31

32. Полиморфизм (аллотропия) железа

Т°С
Ж
1539
1392
α
(оцк)
γ
(гцк)
911
точка Кюри
768
α
(оцк)
Т
1 - ОЦК
2 - ГЦК
32

33.

Изоморфизм – это
существование у разных
металлов одинаковой
кристаллической структуры.
33

34. Анизотропия

Анизотропия – различие свойств
в различных направлениях.
Изотропия – свойства вещества
во всех направлениях одинаковы.
Металлы квазиизотропны, так как
имеют поликристаллическую
структуру.
34

35. Реальное строение металлических кристаллов

• Строение металлов является
поликристаллическим.
• Кристаллы в металле имеют
неправильную форму. Их называют
зёрнами (кристаллитами).
• Ориентация кристаллической решётки
в зерне случайна. При холодной
обработке давлением возникает
текстура – преимущественная
ориентировка зёрен.
35

36. Дефекты в кристаллических твёрдых телах

Типы дефектов
1. Точечные (нульмерные) – все размеры
сопоставимы с межатомными
расстояниями
2. Линейные (одномерные) – один из
размеров соизмерим с размером
кристалла
3. Поверхностные (двумерные) – малы
36
только в одном направлении

37.

1. Точечные
дефекты
кристаллического
строения:
Вакансия
Совершенная
(идеальная)
кристаллическая решётка
Примесные атомы
Примесный
атом
замещения
Межузельный (твёрдый
раствор
атом
замещения)
Примесный
атом
внедрения
(твёрдый
раствор 37
внедрения)

38.

Вакансия.
Фотография, полученная на сканирующем
зондовом микрографе.
Увеличение 7.000.000×
38

39.

1, 6 – Примесные атомы замещения
2, 4 – Вакансия и дивакансия (дефект по Шоттки)
3 – Примесный атом внедрения
5 – Дефект по Френкелю (пара Френкеля) – дефект
39
из вакансии и межузельного атома

40.

2. Линейные дефекты
Дислокации – линии, вдоль которых и
вблизи которых нарушается правильное
чередование атомных плоскостей в
кристалле. Существует два типа
дислокаций: краевые (а) и винтовые (б).
a
б
3.2

41.

OMNO’ – экстраплоскость
OO’ – линейная (краевая) дислокация
41

42.

42

43.

Краевая дислокация
в простой кубической решётке
43

44.

Положения атомов при краевой
дислокации (а) и винтовой
дислокации (б)
44

45.

Просвечивающая
электронная
микрофотография
титанового сплава.
Тёмные линии ─
дислокации.
50.000х.
45

46.

а
а – Линейное несовершенство вдоль
нижнего края экстраплоскости
называется дислокацией.
б – Сдвиг, создавший краевую
дислокацию
в,г – Положительная (┴) и
отрицательная (┬) экстраплоскости и
области искажений (ниже и выше
экстраплоскости).
г
46

47. Вектор Бюргерса b - это количественная характеристика дислокации, т.е. искажения кристаллической решётки.

Контур Бюргерса в
идеальном
кристалле (a) и
эквивалентный
контур в кристалле
с краевой
дислокацией (б)
Для оценки степени искажения решетки
строят так называемый контур Бюргерса.
Вектор Бюргерса АБ замыкает контур
Бюргерса в реальном кристалле.
47

48.

Мерой искажения является так
называемый вектор Бюргерса. Он
получается, если в реальном
кристалле обойти контур, который
был бы замкнутым в идеальном
кристалле (например, в простой
кубической структуре это контур «n
связей вверх, m связей вправо, n
связей вниз, m связей влево») и
охватывающий дислокацию внутри
контура.
48

49.

В реальном кристалле контур будет
открытым. Вектор b, который необходим для
замыкания контура, называется вектором
Бюргерса.
Величина и направление вектора не
зависят от размера контура Бюргерса и
выбора начальной точки контура, но
полностью определяются типом дислокации.
При краевой дислокации вектор Бюргерса
равен межатомному расстоянию и
перпендикулярен линии дислокации, при
винтовой дислокации он параллелен ей. 49

50. Винтовая дислокация

а
б
Винтовая дислокация возникает, если
произвести сдвиг в вертикальной плоскости
(а).
Вектор Бюргерса параллелен плоскости
сдвига (б).
50

51.

Пространственная модель образования винтовой
дислокации в результате неполного сдвига по плоскости Q
51 (б)
(а) и расположение атомов в области винтовой дислокации

52.

Схема винтовой, краевой и смешаной
дислокации
52

53. Виды движения дислокаций

• Скольжение – атомы перемещаются в одной
атомной плоскости.
Это механизм пластической деформации металлов.
Перемещаются не атомы, а условные экстраплоскости.
Этот механизм объяснил низкую прочность реальных металлов.
• Переползание – атомы перемещаются в
другие атомные плоскости. При этом могут
возникать вакансии (экстраплоскость
укорачивается) или происходит увеличение
числа атомов (экстраплоскость удлиняется) 53

54. Скольжение дислокаций

. Скольжение – консервативный
вид движения (атомы не
перемещаются в пространстве).

55. Переползание дислокаций

Переползание – атомы перемещаются
в другие атомные плоскости. При этом
могут возникать вакансии
(экстраплоскость укорачивается) или
происходит увеличение числа атомов
(экстраплоскость удлиняется)
55

56. Влияние движения дислокаций на прочность и пластичность металлов

Легкость перемещения
дислокаций повышает
пластичность металла и снижает
его прочность.
Затруднение перемещения
дислокаций соответствует
упрочнению.
56

57. Барьеры для движения дислокаций

- границы зерен;
- частицы упрочняющих фаз
(точечные дефекты в виде
примесных атомов замещения и
внедрения);
- другие дислокации
57

58. Плотность дислокаций

Плотность дислокаций ρ ─
суммарная длина дислокаций в
единице объема металла:
ρ = ΣL / V [см-2],
где
ΣL – суммарная длина всех
дислокаций, см
V – объем металла, см3
58

59. Зависимость прочности металлических кристаллов от плотности дислокаций. Кривая Бочвара-Одинга.

Нитевидные кристаллы –
10-1 – 10-3
Чистые отожжённые
металлы – 10-5 – 10-7
Металлы и сплавы,
упрочнённые
легированием,
термической обработкой,
пластической
деформацией (наклёп) 10-10 – 10-16

60. Бочвар Андрей Анатольевич

- Изучение кристаллизации,
литейных свойств, рекристаллизации
и жаропрочности цветных
металлов и сплавов.
- Металловедение урана и плутония.
- Создание нового сплава –
цинковистого силумина.
- Открытие сверхпластичности
сплава Zn-Al.
- Важный вклад в разработку танка
1902 - 1984
Т-34.
Советский учёный-металловед.
60
Академик АН СССР.

61. Одинг Иван Августович

- Один из основоположников
физических основ прочности
материалов.
- Крупный вклад в теорию усталости
материалов, в развитие теории
дислокаций металлов и её
применений к решению различных
задач металловедения.
- Проблемы жаропрочности,
ползучести и разрушения металлов.
1896 - 1964
Советский учёный-металловед.
61
Член-корреспондент АН СССР.

62. 3. Поверхностные (двумерные) дефекты

Эти дефекты имеют два
измерения и обычно
разделяют области, которые
имеют различную
кристаллическую структуру
и/или кристаллографическую
ориентацию.
62

63.

К поверхностным дефектам
относятся:
- внешние поверхности;
- границы зерен;
- границы фаз;
- границы двойников;
- дефекты упаковки
63

64.

Границы зёрен
(кристаллитов)
Зерна (кристаллиты) и субзерена внутри
зерен в поликристаллическом твердом
теле.Ориентация кристаллов в зернах
различна.
64

65. Границы зёрен различают:

• Высокоугловые границы – границы между
зернами. Содержат большое количество
дефектов.
Ширина 1-5 нм. Угол разориентировки
более 10°.
65

66.

Малоугловые границы – границы
между субзернами. Образованы
стенками дислокаций.
Угол разориентировки α менее 10°.
66

67.

67