1.Лекция ф4

1. ЛЕКЦИЯ №1 «ВВЕДЕНИЕ. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ»

Вопросы лекции:
1.Предмет и задачи дисциплины.
2. Строение чистых металлов.
3. Формирование структуры металлов и
сплавов при кристаллизации.
4. Основные методы исследования
кристаллической структуры металлов.

2.

1. Предмет и задачи
дисциплины

3. Дисциплина «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

Лекций - 18 (36 ч).
Лабораторных работ – 11 (36 ч).
Экзамен.

4. Дисциплина «Материаловедение»

Ведущий преподаватель: Рашицкий А.Н.

5.

Основная рекомендуемая литература
№
п/
п
авторы
название
примечание
1
Плошкин В.В.
Материаловедение : Учебное
пособие для вузов.- М.: «Юрайт».
2013 г.
самостоятельная работа
2
Галимов Э.Р.,
Маминов А.Г.,
Аблясова А.Г. и
др.
Материалы приборостроения:
Учебник для вузов. М.: КолосС.,
2010 г.
самостоятельная работа
3
Баканов Г.Ф.
Соколов С.С.
Суходольский
В.Ю.
Основы конструирования и
технологии радиоэлектронных
средств. М.: Академия, 2007 г.
самостоятельная работа
4
Рашицкий А.Н.
Материаловедение. Технология
конструкционных материалов.
Учебно-методическое пособие к
лабораторным занятиям. ФВА РВ.,
2014 г.
лабораторные работы

6.

Материаловедение - наука о материалах,
связи их химического состава, строения и
свойств.
Предметом
изучения
дисциплины
являются
конструкционные,
неметаллические и электротехнические
материалы, их служебные свойства, методы
изменения этих свойств, физические
явления и процессы, протекающие в
материалах под воздействием внешних
факторов.

7.

Теоретическая основа материаловедения –
соответствующие разделы физики и химии,
однако наука о материалах в основном
развивается экспериментальным путем.
Основная цель изучения дисциплины – дать
необходимые
для
практической
работы
инженера теоретические знания по основным
группам
материалов,
применяемых
в
машиностроении и в приборостроении в
частности, а также выработать умение
правильно выбирать материалы и назначать
методы их обработки при эксплуатации и
ремонте вооружения и военной техники.

8.

2. Строение чистых
металлов

9.

Атомно-кристаллическое строение
металлов.
Вещества могут находиться в 3 агрегатных состояниях
– газообразном, жидком и твёрдом.
В газах частицы хаотически двигаются, сталкиваясь
одна с другой. В газах нет закономерного расположения
частиц.
В жидкостях частицы, обладая большой подвижностью,
закономерное расположение сохраняют лишь в в
небольшом объёме пространства (ближний порядок).
Ближний порядок неустойчив: он то возникает, то исчезает
под действием тепловых колебаний.
Твёрдые тела в зависимости от расположения
составляющих частиц делятся на аморфные и
кристаллические.

10.

Аморфные тела, подобно жидкостям, обладают
только ближним порядком расположения атомов и по
существу являются переохлаждёнными жидкостями. Но
в отличии от жидкостей у них сильно понижена
подвижность частиц. Аморфные тела изотропны
(обладают во всех направлениях одинаковыми
свойствами) и не имеют определённой температуры
плавления.
Кристаллическими называются тела, в которых
частицы (атомы, ионы) расположены закономерно и
периодично. К кристаллическим телам относятся
металлы и металлические сплавы.
В технике под металлами понимают вещества,
обладающие
характерными
свойствами:
металлическим
блеском,
высокой
электрои
теплопроводностью, пластичностью и способностью
образовывать сплавы.

11.

Свойства металлов обусловлены их
атомным строением и типом связи между
атомами. Различают четыре основных типа
связи между атомами:
• ионная (гетерополярная),
• ковалентная (гомеополярная),
• полярная (связь Ван-дер-Ваальса),
• металлическая.
Характерной особенностью первых трех
связей является наличие направленных сил
связи между отдельными атомами. При
направленной
связи
каждый
атом
объединяется только с определенными
атомами.

12.

Металлический тип связи осуществляется
между атомами, когда число валентных
электронов в атоме мало. В этом случае
свободных
электронных
оболочек
значительно больше, чем электронов для
их
заполнения.
Поэтому
электроны
отрываются от своих атомов и свободно
перемещаются в разных направлениях по
незанятым электронным оболочкам между
положительно ионизированными атомами
(ионами), образуя вокруг них свободный,
так называемый, электронный газ.

13.

Металлы являются телами кристаллическими.
В
кристаллическом
теле
атомы
(ионы)
располагаются в строго определенном порядке и
в пространстве образуют, так называемую,
кристаллическую решетку.
Кристаллическая решетка – воображаемая
пространственная сетка, в узлах которой
располагаются атомы (ионы).
Атомы в кристаллической решетке стремятся
расположиться по возможности плотнее (ближе)
друг к другу. Каждый атом в кристаллической
решетке находится в одинаковом окружении, т.е.
имеет вокруг себя одинаковое количество
атомов, находящихся на равном расстоянии.

14.

Наиболее простой и распространенной среди
металлов является кубическая система, при
которой элементарная ячейка представляет
собой куб.

15.

Элементарная ячейка - комплекс атомов, который
при своем многократном повторении в пространстве
позволяет
воспроизводить
пространственную
кристаллическую решетку.
Метод изображения кристаллической решетки
является условным (более правильное изображение –
шары).
В зависимости от взаимного расположения атомов в
кристалле металла различают следующие основные
типы пространственных кристаллических решеток:
• простая кубическая (К6);
• кубическая объемно-центрированная (К8);
• кубическая гранецентрированная (К12);
• гексагональная плотноупакованная (Г12);

16. простая кубическая кубическая объемно-центрированная (КОЦ)

простая
кубическая
кубическая
объемноцентрированная
(КОЦ)

17.

кубическая
гранецентрированная
(КГЦ)
гексагональная
плотноупакованная
(ГПУ)

18.

3. Формирование
структуры металлов и
сплавов при
кристаллизации

19.

Механизм процесса кристаллизации.
Металл в твердом состоянии состоит из
кристаллов, форма и размеры которых
влияют на многие свойства металлов.
Поэтому
процесс
кристаллизации
необходимо изучить для того, чтобы
научиться управлять им, а, следовательно,
получать у кристаллизующегося металла
необходимые свойства.

20.

Кристаллизация - процесс образования
кристаллов (кристаллической решетки) из
жидкой или газообразной фазы.
Кристаллизация протекает только в тех
условиях,
когда
система
переходит
к
термодинамически
более
устойчивому
состоянию с меньшей свободной энергией G
(энергией Гиббса), т.е. когда свободная энергия
кристалла меньше свободной энергии жидкой
фазы.
Свободная энергия G это часть внутренней
энергии, которая может быть превращена в
работу.

21. Температурная зависимость свободной энергии металла в жидкой и твердой фазах

С повышением температуры свободная энергия
жидкого и твердого состояний уменьшается. При
достижении равновесной температуры Тs свободная
энергия жидкого и твердого состояний равны, а поэтому
при этой температуре ни процесс кристаллизации, ни
процесс плавления протекать не могут.

22. Для развития процесса кристаллизации необходимо создать такие условия, при которых свободная энергия твердой фазы будет меньше,

чем свободная энергия жидкой фазы. Это возможно только при
некотором переохлаждении металла.
Степенью переохлаждения Т называется разность
между равновесной (теоретической) и фактической
температурами кристаллизации
Т = Тs – Тф

23.

Степень переохлаждения измеряется в
градусах Цельсия и зависит от скорости
охлаждения, природы и чистоты расплава. Чем
чище расплав, тем больше его устойчивость и,
следовательно, степень переохлаждения. Чем
больше степень переохлаждения, тем больше
скорость
охлаждения.
Наличие
нерасплавленных частичек ускоряет процесс
кристаллизации, измельчает зерно.
У металлов и сплавов способность к
переохлаждению невелика и измеряется от
сотых долей градуса до десятков градусов,
Самую большую степень переохлаждения
имеет сурьма – 31градус.

24. Процесс кристаллизации изучают по кривым охлаждения

Обязательное
условие
построения
кривой
охлаждения:
Очень
медленное
охлаждение

25.

Q с.т.п.- скрытая теплота плавления

26.

27.

Процесс кристаллизации слагается из двух
одновременно идущих процессов: зарождения и
роста кристаллов.
Кристаллы
могут
зарождаться
самопроизвольно
(самопроизвольная
кристаллизация) или расти на имеющихся
готовых центрах кристаллизации (гетерогенная
кристаллизация).
При переохлаждении жидкого расплава в нем
возникают устойчивые группировки атомов
небольшого объема, которые способны к росту.
Эти
устойчивые
группировки
атомов
называются
центрами
кристаллизации
(зародышами).

28. Влияние степени переохлаждения на параметры кристаллизации и структуру металла

29.

Процессы кристаллизации зависят от имеющихся
готовых центров кристаллизации. Такими центрами
могут быть твердые частицы разнообразных примесей,
стенки формы.
На практике для измельчения структуры широко
применяют модифицирование – обработку жидких
сплавов
небольшими
количествами
добавок
(модификаторов).
В
качестве
модификаторов
используют
поверхностно-активные
вещества
,
понижающие поверхностное натяжение (бор в стали,
натрий в алюминии и его сплавах) и тугоплавкие
металлы (титан, цирконий в алюминии и его сплавах).
Модификаторы добавляют в сплавы в количествах от
тысячных до десятых долей процента.
При повышении температуры жидкого металла
примеси растворяются, а поверхностно-активные
примеси – дезактивируются, поэтому повышение
температуры жидкого металла перед разливкой
приводит к укрупнению зерна при кристаллизации.

30.

Кристаллы,
образующиеся
в
процессе
затвердевания металла, могут иметь различную форму в
зависимости от скорости охлаждения, характера и
количества примесей. Чаще в процессе кристаллизации
образуются разветвленные (древовидные) кристаллы,
получившие название дендритов.
Первоначально образуются длинные ветви (оси
первого
порядка
–
главные
оси)
дендрита.
Одновременно с удлинением осей первого порядка на их
ребрах зарождаются и растут перпендикулярно к ним
такие же оси второго порядка. В свою очередь на осях
второго порядка зарождаются и растут оси третьего
порядка. В конечном счете образуются кристаллы в
форме дендритов. Дендритное строение характерно для
макро- и микроструктуры литого металла.

31. Строение слитка

а – схема дендрита по Д.К. Чернову: 1, 2, 3 – оси первого, второго и
третьего порядков соответственно;
б – зонная структура слитка: 1 – мелкие равноосные кристаллы;
2 – столбчатые кристаллы, 3 – равноосные кристаллы больших
размеров, 4 – усадочная раковина.

32.

Полиморфные превращения
металлов
Полиморфизм
наличие
разного
кристаллического строения одного вещества при
различных температурах.
В результате полиморфного превращения
атомы кристаллического тела, имеющие решетку
одного типа, перестраиваются таким образом, что
образуется кристаллическая решетка другого
типа. Полиморфную модификацию, устойчивую
при более низкой температуре, для большинства
металлов принято обозначать буквой , затем ,
и т. д.

33.

34.

Полиморфное
превращение
по
своему
механизму
является
кристаллизационным
процессом, осуществляемым путем образования
зародышей и последующего их роста. При этом
кристаллы (зерна) новой полиморфной формы
растут в результате неупорядоченных переходов
атомов. Отрываясь от решетки исходной формы,
атомы присоединяются к решетке новой фазы.
В результате полиморфного превращения
образуются
новые
кристаллические
зерна,
имеющие
другой
размер
и
форму
(перекристаллизация).
Полиморфное превращение сопровождается
скачкообразным
изменением
всех
свойств
металлов: удельного объема, теплопроводности,
электропроводности, механических и химических
свойств.

35.

4. Основные методы
исследования
структуры металлов

36.

Структура металла - форма, размеры и
характер
взаимного
расположения
соответствующих фаз в металлах и сплавах.
Различают
макроструктуру
и
микроструктуру.
Макроструктура - строение металла или
сплава, видимое невооруженным глазом или
при увеличении до 30 раз.
Микроструктура - строение металла или
сплава,
наблюдаемое
с
помощью
микроскопа при больших увеличениях.

37. Методы исследования кристаллической структуры металлов

• Макроанализ
• Микроанализ
• Рентгеновский анализ
• Спектральный анализ
• Химический анализ
• Магнитная дефектоскопия
• Ультразвуковая дефектоскопия
• Метод радиоактивных изотопов

38.

Макроанализ позволяет установить:
• строение металла (зернистое, дендритное),
наличие и характер распределения зон
кристаллизации, усадочной рыхлости, пузырей,
трещин и т.д.;
• химическую неоднородность, получаемую в
процессе кристаллизации (ликвацию);
• строение металла после горячей обработки
давлением (прокатки, штамповки, ковки и т.д.;
• неоднородность состава и структуры,
создаваемую термической или химикотермической обработкой;
• характер излома металла (характер
разрушения металла: вязкое, хрупкое,
усталостное).

39.

Микроструктура определяется микроанализом
– исследованием внутреннего строения металла
с помощью оптического или электронного
микроскопов.
Микроструктура показывает размер и форму
зерен, взаимное расположение фаз, их форму и
размеры. Для определения микроструктуры из
исследуемого металла изготовляют микрошлиф,
т.е. небольшой образец, одну из плоскостей
которого тщательно шлифуют, полируют и
подвергают
травлению
специальными
реактивами.

40.

Разрешающие способности микроскопов:
• оптический микроскоп не превышает 0,2
мкм. Полезное увеличение достигает около
2000 раз.
• электронный микроскоп – до 0,2-0,5 нм.
Увеличение
электронного
микроскопа
достигает 50-100 тыс. раз.
Для
изучения
атомно-кристаллического
строения
применяют рентгеноструктурный
анализ.
Он
основан
на
дифракции
рентгеновских лучей с очень малой длиной
волны (0,02-0,2 нм) рядами атомов в
кристаллическом теле.

41.

задание на самоподготовку:
• получить рекомендованную литературу;
• повторить материал лекции и
дополнить конспект [1] с. 39-78,
[2] с. 185-189;
• выполнить зарисовки 3-х основных
типов кристаллической решетки ( КОЦ,
КГЦ, ГПУ) и их дефектов.