Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина

1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 1.1. ХИМИЧЕСКИЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ Химические свойства характеризуют способность металлов взаимодействовать или не взаимодействовать с определёнными веществами. Мы выделяем для металлических материалов, используемых в промышленности и быту, такие свойства как коррозионная стойкость, кислотоупорность, химическая инертность ( все эти слова, в какой-то мере, синонимы). Физические свойства характеризуют природу материала. Это – цвет, блеск, плотность, температура плавления, электро- и теплопроводность, теплоёмкость, линейное и объёмное расширения, термоэлектронная эмиссия (способность к испусканию электронов при нагреве), магнетизм, кристаллическое строение. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием приложенных внешних механических сил. К ним относятся прочность, твёрдость, хрупкость, упругость, пластичность, вязкость (способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации), усталость (разрушение металла под действием повторных или знакопеременных нагрузок), выносливость (сопротивление усталости), ползучесть или текучесть (непрерывная медленная пластическая деформация, развивающаяся под длительным действием постоянных механических и термических нагрузок) и др. Технологические свойства характеризуют способность материалов подвергаться различным видам обработки. К ним относятся литейные свойства (характеризуются жидкотекучестью и усадкой), свариваемость, прокаливаемость, ковкость, обрабатываемость резанием и др. Эксплуатационные (служебные) свойства характеризуют способность материалов сохранять свои химические, физические, механические свойства при длительной эксплуатации. К ним относятся жаростойкость или окалиностойкость (способность металла сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре); жаропрочность (способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах); износостойкость (способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении) и др. Методы изучения механических свойств. К ним относятся статические испытания, характеризующиеся медленным приложением и плавным возрастанием нагрузки от 0 до неко торого максимального значения (определение твердости, испытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и т.п.); динамические испытания, характеризующиеся приложением нагрузки с большой скоростью – ударом (определение ударной вязкости КС и т.п.); длительные испытания, позволяющие определить долговечность материала (испытания на ползучесть, длительную прочность, износ, действие циклических нагрузок и т.п.). 1.2. АМОРФНЫЕ И КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА. ЭЛЕМЕНТЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ Вещество в твердом состоянии может иметь аморфное или кристаллическое строение. В аморфном веществе, например, стекле, структурные составляющие (атомы, молекулы, ионы) расположены беспорядочно, а в кристаллическом – по геометрически правильной схеме, на определенном расстоянии друг от друга. Общим свойством металлов и сплавов является их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки - воображаемой пространственной сетки с атомами в узлах. Наименьшая геометрически правильная часть объёма кристаллической решетки называется элементарной ячейкой. Трансляция (параллельное перемещение) элементарной ячейки в пространстве полностью воспроизводит структуру кристалла. Длина ребра элементарной ячейки, т.е.расстояние между центрами двух соседних частиц, называется периодом решетки измеряется в нм (10-9 м). Кристаллические решётки, в которых атомы расположены только в узлах, называются простыми. В сложных кристаллических решётках с плотной упаковкой атомы находятся не только в вершинах, но и внутри ячеек или на гранях. Кристаллы характеризуются координационным числом (К) и базисом решётки (n). Координационное число показывает, сколько ближайших равноудалённых соседних атомов окружает каждый атом в кристалле и характеризует плотность упаковки атомов в кристалле. Чем больше К, тем выше плотность упаковки. Базис решётки означает число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Для большинства металлов характерны 3 типа кристаллических решёток: а). Объёмно-центрированная кубическая (ОЦК) К = 8. Такую решётку имеют щелочные металлы и многие тугоплавкие Cr, W, V, Mo, Nb и др. n = 1/8 x 8 + 1 = 2 б). Гранецентрированная кубическая (ГЦК). К = 12. Такую решётку имеют Ag, Au, Pt, Cu, Ni, Al, Pb и др. n = 1/8х8 + 1/2х6 = 4 в). Гексагональная плотноупакованная (ГПУ). К = 12. Такую решётку имеют Be, Mg, Cd и др. n = 1/6x12 + 1/2x2 + 3 = 6 Существуют другие виды кристаллических решёток: а). Простая кубическая a = b = c, α = β = γ = 90o c b a б).Тетрагональная a = b ≠ c, α = β = γ = 90o c b a в) Ромбоэдрическая a = b = c, α = β = γ ≠ 90o с а b Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях, в кристаллах наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристаллах в зависимости от направления испытания называется анизотропией. Разница в физико-химических и механических свойствах кристаллов в разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3-4 раза, а прочность кристалла железа – более чем в 2 раза. Аморфные же тела все изотропны, т.е. имеют одинаковые физико-механические свойства по всем направлениям. Анизотропия свойств (прочности, тепло- и электропроводимости, коэффициента линейного термического расширения и др.) характерна для монокристаллов. Применяющиеся металлические материалы являются, преимущественно, телами поликристаллическими, состоящими из большого числа случайно ориентированных по отношению друг к другу в пространстве кристалликов. Поэтому при испытании таких тел анизотропия не обнаруживается – свойства во всех направлениях усредняются, и поликристалл становится как бы изотропным. Это явление называют квазиизотропией. 1.3. ПОЛИМОРФНЫЕ И МАГНИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ Способность некоторых веществ в твердом виде существовать в различных, отличающихся кристаллической структурой состояниях, устойчивых в определенных интервалах температур и давлений, называется полиморфизмом или аллотропией. Полиморфные модификации принято обозначать буквами греческого алфавита, начиная с низкотемпературных модификаций. Температуру превращения одной кристаллической модификации в другую называют температурой полиморфного превращения. Некоторые металлы претерпевают полиморфные превращения. Рассмотрим явление полиморфизма на примере железа. 911о 1392о Feα  Fе  Feδ ОЦК ГЦК ОЦК Полиморфные превращения, как правило, характеризуются объёмным эффектом порядка 1-2%. При этом низкотемпературные модификации имеют более плотные упаковки, чем высокотемпературные. Но есть исключения. Например: железо при нагреве сначала перестраивается в более плотную модификацию, а затем исправляет «ошибку». Более существенные отклонения наблюдаются при полиморфном превращении олова. При температуре полиморфного превращения 13оС превращение Snβ в Snα протекает обычно вяло и локализуется в малых объёмах в виде рыхлых пятен серого цвета – зародышей α-модификации. Своевременное удаление очагов новой модификации может спасти оловянное изделие. Если же очаги не удалять и длительное время хранить изделия из олова при низких температурах (максимальная скорость превращения наблюдается при - 39оС), то переход Snβ в Snα вызывает рассыпание изделия в порошок. Это явление, называемое «оловянной чумой», объясняется тем, что высокотемпературное белое β- олово с металлическим типом связи (тетрагональная решётка) имеет на 25% меньший объём, чем серое α-олово с ковалентной связью (кубическая решетка типа алмаза). Большое изменение объёма при перестройке вызывает внутренние напряжения, превышающие прочность кристаллов. Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Роберта Скотта (достиг Южного полюса 12 января 1912 г.). Оловом были запаяны швы канистр с керосином. При низкой температуре произошло превращение белого олова в серое. Горючее вылилось и, к тому же, испортило запасы пищи. На обратном пути экспедиция осталась без топлива и еды. Кроме рассмотренных полиморфных превращений, заключающихся в перестройке кристаллических решёток, в металлах могут наблюдаться превращения, не приводящие к изменению типа решётки. Они заключаются в перестройке электронных оболочек, обусловленной изменением магнитных моментов. Такие превращения называются магнитными. Температура, при которой происходит магнитное превращение, называется точкой Кюри. Она есть только у металлов, обладающих магнетизмом. Так ферромагнитное α-железо при 768оС теряет свои магнитные свойства, становится парамагнитным. Раньше парамагнитное железо обозначали как β-железо, но т.к. кристаллическая решётка не меняется, этим обозначением не пользуются. Точка Кюри имеется и у других ферромагнетиков : Ni (358oC), Co (1120oC). 1.4. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Ещё в 1878 г. Д.К.Чернов, изучая структуру литой стали, указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: 1) зарождения мельчайших частиц кристаллов, которые Чернов назвал «зачатками», а теперь их называют зародышами или центрами кристаллизации; 2) роста кристаллов из этих центров. При равновесной температуре затвердевания, равной температуре плавления металла, равновероятно существование и жидкого, и твердого состояния, поэтому, чтобы началась кристаллизация, требуется некоторое переохлаждение. Степень переохлаждения ΔT = Тпл – Ткр. При температурах, близких к Ткр , в жидком металле из-за флуктуации плотности образуются небольшие группировки, в которых атомы упакованы так же, как в твёрдых кристаллах. Из части таких группировок образуются центры кристаллизации (ц.к.). С увеличением ΔТ возрастает число ц.к., образующихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся ц.к. начинают расти кристаллы, и продолжается образование новых ц.к. Увеличение общей массы затвердевшего металла происходит как за счет возникновения новых ц.к., так и за счёт роста существующих. Получившиеся при затвердевании сросшиеся кристаллы с неправильной внешней огранкой называются зёрнами или кристаллитами. Суммарная скорость кристаллизации определяется скоростью зарождения ц.к.(СЗ) и скоростью роста кристаллов из этих центров (СР). Величины СЗ и СР зависят от ΔТ. При очень сильном переохлаждении СЗ и СР равны 0, и жидкость не кристаллизуется, а превращается в аморфное тело. Графически это выглядит так: СР СЗ СР СЗ Тпл ΔТ Если раньше аморфное состояние достигалось лишь для неметаллических веществ, то в настоящее время, с использованием специальных приёмов, достигается высокая скорость охлаждения (более 106 град/с), и можно получать металлы в стеклообразном (аморфном) состоянии с особыми физико-механическими свойствами. Рассмотренный выше спонтанный процесс кристаллизации требует значительных степеней переохлаждения, особенно для чистых металлов и встречается редко. В реальных условиях образование ц.к. облегчается присутствием в расплаве твердых частиц различных примесей, неметаллических включений, стенок сосуда и т.д. Они служат подложкой, облегчающей образование зародышей. Использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна называется модифицированием. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава (ввиду незначительных количеств), вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. При введении в магниевые сплавы магнезита (MgCO3) зерно уменьшается более, чем в 10 раз: от 0,2-0,3мм до 0,01-0,02мм. Модификаторами для алюминиевых сплавов являются Ti, V, Zr, для стали – Al, V, Ti, для чугуна – Mg. Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода тепла. Кристаллизация начинается от стенок формы в направлении отвода тепла, т.е. перпендикулярно к стенке. При этом образуются оси І порядка, потом ІІ , затем ІІІ порядка и т.д. В результате получается разветвленный древовидный кристалл, называемый дендрит. 1.5. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЁТОК До сих пор, описывая кристаллическую структуру металлов, мы принимали, что атомы в кристаллических решётках расположены в строгом порядке, т.е. рассматривали идеальный кристалл. В действительности же в реальных кристаллах имеется значительное число мест, в которых идеальное расположение атомов нарушено, или, как принято говорить, в кристалле имеется значительное количество дефектов. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства металлов. Дефекты в кристаллах подразделяют по геометрическим признакам на 4 группы: точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные), объёмные (трёхмерные). Точечные дефекты. Они характеризуются малыми размерами во всех трёх измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К ним относятся: а) вакансии – свободные места в узлах кристаллической решётки; б) дислоцированные атомы – атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решётки в междоузельные промежутки: в) примесные атомы в узле; г) примесные атомы в междоузлии. Число точечных дефектов зависит от температуры, вида обработки и др. При скоплении вакансий могут образовываться пустоты (поры). Наличие вакансий сообщает атомам подвижность, т.к. вакансии могут перемещаться и, следовательно, оказывать влияние на процесс диффузии. Точечные дефекты могут взаимодействовать друг с другом. При встрече вакансии и дислоцированного атома дефекты взаимно уничтожаются (аннигилируют). Линейные дефекты (дислокации). Они характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Различают два основных типа дислокаций – краевую и винтовую. Дислокации обоих типов образуются путём сдвигов отдельных участков кристалла, приводящих к нарушению идеальности кристаллической решётки. Краевая дислокация представляет локализованное искажение кристаллической решётки, вызванное наличием в ней «лишней» полуплоскости или экстраплоскости. Винтовая дислокация так же, как и краевая, образована неполным сдвигом кристалла по плоскости. В этом случае кристалл можно представить состоящим из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. Дислокации могут взаимодействовать друг с другом и с другими дефектами. Поверхностные дефекты. Они имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух разориентированных участков кристаллической решётки. Ими могут быть границы зёрен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагмента. Зёрна повёрнуты относительно друг друга на десятки градусов. Эти границы называют большеугловыми. Фрагменты разориентированы относительно друг друга от нескольких долей до единиц градусов – малоугловые границы, а блоки повёрнуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут. Такая структура зерна называется блочной или мозаичной. Объёмные дефекты. Они имеют значительную по сравнению с атомами протяженность во всех трёх направлениях кристалла. Это поры, трещины, усадочные раковины и т.п. Трёхмерные дефекты образуются как в процессе кристаллизации, так и при фазовых превращениях, деформации и др. процессах. Эти дефекты значительно снижают прочность металлов.

Похожие:

	Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина 2008 г И история русского литературного языка [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины/ Сост. Е. В. Белогородцева, Бийский пед гос...		Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина Д история зарубежной литературы Х1Х века. Реализм.: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: М. А. Ковалева; Бийский пед...
	Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина Д пп. Ф. 12 История русской литературы. Древнерусская литература.: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: М. А. Ковалева;...		Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина П психология развития и возрастная психология [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Т. А. Гусева; Бийский пед...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Гиревой спорт [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: А. В. Золов; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. Бийск:...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. А. Бурчаков; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. –...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. А. Бурчаков; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. –...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. А. Бурчаков; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. –...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Л. Б. Повитухина; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина....		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Е. В. Форопонова; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина....
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Г. В. Гулина; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. – Бийск:...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д нормативно-правовое обеспечение образования [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. С. Кузнецова; Бийский...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина П психология [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Н. Е. Варшавская, Н. А. Кочергина, И. С. Пищева; Бийский пед...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина П клиника интеллектуальных нарушений [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Н. А. Першина; Бийский пед гос ун-т...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина Лыжная подготовка [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. С. Баклыкова; Бийский пед гос ун-т им....		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д история музыкального образования [Текст] : Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Е. А. Торопчина; Бийский пед гос ун-т...