Материаловедение. Шпаргалка

Елена Михайловна Буслаева

Материаловедение

1. Предмет материаловедения; современная классификация материалов, основные этапы развития материаловедения

Материаловедение изучает состав, структуру, свойства и поведение материалов в зависимости от воздействия окружающей среды. Воздействие бывает тепловым, электрическим, магнитным и т. д. Любой компонент конструкций или сооружений подвергается нагрузкам как со стороны других компонентов, так и со стороны внешней среды.

Классификация материалов: металлические, неметаллические и композиционные материалы. Металлические материалы подразделяются на цветные металлы, порошковые материалы. Неметаллические материалы: резина, стекло, керамика, пластические массы, ситаллы. Композиционные материалы являются составными материалами, в состав которых входят два и более материалов (стеклопластики).

Существует классификация материалов в зависимости от вида полуфабрикатов: листы, порошки, гранулы, волокна, профили и т. д.

Техника создания материалов положена в основу классификации по структуре.

Металлические материалы подразделяются на группы в соответствии с тем компонентом, который лежит в их основе. Материалы черной металлургии: сталь, чугуны, ферросплавы, сплавы, в которых основной компонент – железо. Материалы цветной металлургии: алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово.

Основу современной техники составляют металлы и металлические сплавы. Сегодня металлы являются самым универсальным по применению классом материалов. Для того чтобы повысить качество и надежность изделий, требуются новые материалы. Для решения этих проблем применяются композиционные, полимерные, порошковые материалы.

Металлы – вещества, которые обладают ковкостью, блеском, электропроводностью и теплопроводностью. В технике все металлические материалы называют металлами и делят на две группы.

Простые металлы – металлы, которые имеют небольшое количество примесей других металлов.

Сложные металлы – металлы, которые представляют сочетания простого металла как основы с другими элементами.

Три четверти всех элементов в периодической системе являются металлами.

Материаловедение или наука о материалах получила свое развитие с древнейших времен. Первый этап развития материаловедения начинается со специализированного изготовления керамики. Особый вклад в становление материаловедения в России был сделан М.В. Ломоносовым (1711–1765) и Д.И. Менделеевым (1834–1907). Ломоносов разработал курс по физической химии и химической атомистики, подтвердил теорию об атомно-молекулярном строении вещества. Менделееву принадлежит заслуга разработки периодической системы элементов. Оба ученых немалое внимание уделяли проблеме производства стекла.

В XIX в. вклад в развитие материаловедения внесли Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Е.С. Федоров, В.А. Обручев, А.И. Ферсман, Н.Н. Белелюбский. Начинают производиться новые материалы: портландцемент, новые гипсы, цементные бетоны, полимерные материалы и т. д.

В машиностроении широкое применение получили металлы и сплавы металлов, именно поэтому металловедение является важной частью материаловедения.

Металловедение как наука возникло в России в XIX в, оно является научной основой для разработки новых оптимальных технологических процессов: термической обработки, литья, прокатки штамповки сварки. Сочетание высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью, вязкостью и обрабатываемостью, не встречающееся у других материалов, явилось причиной использования металлов в качестве основного конструкционного материала во всех областях техники.

Впервые установил существование связи между строением стали и ее свойствами выдающийся русский ученый П.П. Аносов (1799–1851 гг.), раскрывший давно утраченный секрет изготовления и получения древними мастерами Востока булатной стали, которая идет для производства клинков. Булатная сталь Аносова славилась во всем мире и даже вывозилась за границу. Клинки, которые были изготовлены из этой стали, отличались высокой твердостью и вязкостью. П.П. Аносов считается «зачинателем» производства высококачественной стали, он впервые применил микроскоп для определения строения стали и положил начало изучению закономерной связи между структурой и свойствами сплавов.

Основоположник научного металловедения Д.К. Чернов (1839–1921 гг.), который открыл в 1868 г. фазовые превращения в стали. Открытие Д.К. Черновым критических точек а и b (по современному обозначению А1 и A3) совершило революцию в познании природы металлических сплавов и позволило объяснить ряд «таинственных» явлений, которые происходят при термической обработке сталей.

Огромный вклад в развитие науки о металлах внесли Н.С. Курнаков, А.А. Байков, Н.Т. Гудцов, А.А. Бочнар, Г.В. Курдюмов, С.С. Штейиберг, А.П. Гуляев, а также другие советские ученые.

Большое значение в развитии металловедения и термической обработки имели работы Осмонда (Франция), Зейтца, Бейна и Мейла (США), Таммана и Ганемана (Германия).

В XX веке были достигнуты крупные достижения в теории и практике материаловедения, созданы высокопрочные материалы для инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой.

2. Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен

Металлы – это поликристаллические тела, они состоят из мелких кристаллов. Характеризуются металлическими свойствами и составляют 50 % всех химических элементов. Строение металлов и их сплавов кристаллическое.

В процессе кристаллизации кристаллы приобретают неправильную форму. Их называют зернами. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, которая отличается от ориентировки соседних зерен. Размер зерна металла влияет на его механические свойства. Данные свойства, вязкость и пластичность, значительно выше, если металл имеет мелкое зерно.

Поверхности раздела зерен называются границами зерен, которые могут быть: наклонными при расположении оси вращения в той же плоскости, что и граница; кручеными при перпендикулярно расположенной оси к плоскости. Такой кусок металла является поликристаллом. Границы зерен определяются точками соприкосновения смежных кристаллов. О размерах, структуре и характере строения зерен можно судить по изломам металла.

В поликристаллических материалах размер зерен от 1 до 1000 мкм. Зерна разориентированы, повернуты одни относительно других до десятков градусов. Границы являются основным дефектом в металлах. На границах между зернами атомы не имеют правильного расположения. Существует переходная область шириной в несколько атомных диаметров, в которой решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна с иной ориентацией. Строение переходного слоя (границы) способствует скоплению в нем дислокаций, так как при переходе через границу ни плоскость скольжения, ни вектор Бюргерса не сохраняются неизменными. Нарушение правильности расположения способствует тому, что на границах зерен повышена концентрация тех примесей, которые понижают поверхностную энергию. Внутри зерен нарушается правильное кристаллическое строение.

Границы субзерен менее нарушены.

Все металлы имеют общие свойства: пластичность, высокую тепло– и электропроводность, специфический металлический блеск, повышают электросопротивление с ростом температуры.

Из жидкого расплава вырастает монокристалл, который представляет собой один кристалл. Размеры монокристаллов невелики, их используют в лабораториях для изучения свойств какого-либо вещества. Металлы и сплавы, которые получают в самых обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, они имеют поликристаллическое строение.

Изучение строения металлов с помощью рентгеноструктурного анализа и электронного микроскопа позволило установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки – это нарушения укладки атомов в решетке.

Расположение атомов в решетке может быть в форме центрированного куба (б– и в-железо, б-титан, хром, молибден, вольфрам, ванадий), куба, грани которого центрированы (г-железо, алюминий, медь, никель, свинец, в-кобальт) или гексагональны, или в форме ячейки (магний, цинк).

Зерна в поликристаллах не являются монолитными, а состоят из отдельных субзерен, которые повернуты одно относительно другого на малый угол. Субзерно является многогранником, в котором содержится либо незначительное количество дислокаций, либо их совсем нет. Основные характеристики субзерен: тип, расположение, строение, плотность дислокаций. Многие дислокации образуются в результате механического сдвига.

Границы субзерен и зерен в металлах разделяют на малоугловые и большеугловые. Малоугловые границы наблюдаются между субзернами и имеют дислокационное строение. Малоугловую границу можно представить с помощью ряда параллельных краевых дислокаций. Образование субзерен с малоугловыми дислокациями называется полигонизацией. Структура большеугловых границ более сложная. Субграницы образованы определенными системами дислокаций. В зависимости от того, какой материал и какое воздействие на него оказывает окружающая среда, находится расположение дислокаций. Если металл мало деформирован, то местом скопления дислокаций являются плоскости скольжения. Если же такие металлы, как алюминий, железо подвергаются сильной деформации, то дислокации представлены в виде сложных сплетений: пространств, сетки.

Структура, в которой субзерна разориентированны друг относительно друга на угол 15-300, является блочной или мозаичной.

Плотность дислокаций в металле повышается при увеличении угла разориентации субзерен и уменьшением их величины. Атомы, расположенные на границах зерен, и атомы на поверхности кристалла из-за нескомпенсированности сил межатомного взаимодействия, имеют более высокую потенциальную энергию, по сравнению с атомами в объеме субзерен. Наличие дислокаций влияет на прочностные качества металлов. По теоретическим подсчетам предел упругости чистых металлов в 1000 раз превышает реальный, а предел упругости стали – в 100 раз.

3. Световая микроскопия; количественные характеристики микроструктуры

Самые разнообразные методы применяются для исследования внутреннего строения сплавов, большинство основано на физических принципах.

Изучение строения металлов начинается с помощью простого и распространенного в научных и заводских лабораториях метода – световой микроскопии (металлографический метод). Впервые исследование металлов при помощи микроскопа осуществил П.П. Аносов. Он занимался изучением булатной стали.

Методом световой микроскопии изучают размеры, форму, расположение зерен, дефекты кристаллического строения (двойники, дислокации), а также он используется для прогнозирования поведения металлов в эксплуатационных условиях.

Все металлы – вещества непрозрачные (для видимого света). Форму кристаллов, их размер и расположение изучают на специально изготавливаемых микрошлифах. В этом случае делают разрез металла в плоскости, интересующей исследователя, полученную плоскость шлифуют и полируют.

Применять можно как грубую, так и тонкую шлифовку, с целью устранения неровностей поверхности шлифа. Шлифовку проводят перед полировкой. Чтобы получить ровную поверхность, необходимо при перемене абразива изменять и направление движения образцов на 90°. Шлифовку следует продолжать вплоть до исчезновения рисок от предыдущей операции. По результатам шлифовки шероховатость поверхности должна быть менее 0,08 мкм.

Полировка осуществляется с целью получения зеркальной поверхности образца. Полировка может быть механической, электрохимической и химико-механической.

Механическая шлифовка осуществляется при помощи станка с вращающимся кругом, который покрыт полировальным материалом. На данный материал наносят абразивные частицы.

Химико-механическая полировка осуществляется при помощи абразивных частиц и химических элементов.

Электрохимическая полировка проводится в ванне с электролитом. Для сглаживания поверхности используется ток.

При механической шлифовке и полировке происходит пластическая деформация поверхности образца. В зависимости от того, какова твердость материала, глубина деформации поверхности может доходить до 25 мкм.

После шлифовки и полировки обрабатываемый образец опускают в воду, затем в спирт, после чего сушат при помощи фильтровальной бумаги.

Чтобы выявить структуру, создают рельеф или окрашивают в разные цвета структурные составляющие, что достигается химическим травлением. При травлении кислота воздействует на границы зерна, потому что имеются места с дефектным строением, которые в травленом шлифе станут углублениями; свет, падая на них, рассеивается и в поле зрения микроскопа они будут казаться темными, а тело зерна – светлым.

Для рассмотрения микрошлифов при исследовании микроструктуры металлов применяют специальные микроскопы, в которых луч от источника света, отражаясь от шлифа, проходит через объектив и окуляр, давая соответствующее увеличение.

Общее увеличение микроскопа приравнивается к произведению увеличений объектива и окуляра.

Под микроскопом на микрошлифе после полирования можно увидеть микротрещины и неметаллические включения (графит в чугунах, оксиды). Для выявления самой микроструктуры металла поверхность шлифа травят, т. е. обрабатывают специальными реактивами, состав которых зависит от состава металла. Выявление микроструктуры при травлении основано на том, что различные фазы протравливаются неодинаково и окрашиваются по-разному. В результате травления микрошлифов чистых металлов можно выявить форму и размеры отдельных зерен. Микроанализ позволяет установить величину, форму и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие, изменение внутреннего строения металлов и сплавов в зависимости от условий их получения и обработки.

Для того чтобы рассмотреть детали структуры применяют электронный микроскоп, где изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов. Различают прямые и косвенные методы исследования структуры. Косвенные методы основаны на специальной технике приготовления тонких слепков-пленок, которые отображают рельеф травленого шлифа. Исследуя полученную реплику, наблюдают детали структуры, их минимальный размер равен 2–5 нм. Прямые методы позволяют исследовать тонкие металлические фольги толщиной до 300 нм на просвет с помощью электронных микроскопов высокого разрешения (микроскопы УЭМВ-100, УЭМВ-100А, УЭМВ-100В).

Оптический микроскоп не является аппаратом, который может обнаружить кристаллик любого размера.

Количественная металлография сталкивается с определенными трудностями. Так, проблема определения количественных параметров трехмерного объекта путем изучения его двухмерного сечения решается несколькими путями. При помощи сравнительного метода и метода средней длины пересекающего зерно отрезка определяется величина зерен металлов.

Сегодня используется автоматизированная система изучения микрошлифов металлов, которая включает применение микроскопа, видеокамеры, видеобластера и персонального ЭВМ.

4. Элементарная ячейка; координационное число; сингония

Кристаллографические направления и плоскости, анизотропия; межплоскостные расстояния Кристаллическая решетка – упорядоченное расположение атомов. Элементарная ячейка кристалла – минимальный объем кристалла, полностью сохраняющий все его свойства. Атомы в решетке располагаются различно.

Элементарная ячейка повторяется в трех измерениях и образует кристаллическую решетку. Структуру кристалла определяет положение атомов в элементарной ячейке.

Координационное число – общее число нейтральных молекул и ионов, имеющих связь с центральным ионом в комплексе.

1. У элементов четвертой группы ковалентная насыщенная и направленная связь, и у каждого атома четыре соседа. Число ближайших соседей – координационное число. Элементарная решетка – тетраэдр с одним атомом в центре и четырьмя атомами по вершинам.

2. При образовании ионной связи кристаллические решетки более компактны, координационное число достигает 6 из-за ненасыщенности ионной связи. Пример: кристаллическая решетка NaCI – примитивный куб с ионами хлора и натрия в вершинах.

3. Металлические связи делают кристаллические решетки более компактными. Координационные числа достигают значений 8 и 12. В металлических материалах формируются три типа кристаллических решеток: объемноцентрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотно-упакованная (ГП).

Сингония – одно из подразделений кристаллов по признаку симметрии их элементарной ячейки при одинаковых системах координатных осей. Сингония характеризует симметрию трехмерных структур с трансляционной симметрией в трех направлениях.

Выделяют семь осевых систем в зависимости от длины отрезков, отсекаемых на кристаллографических осях, и взаимного расположения этих осей.

1. Кубическая сингония. Три равновеликие оси пересекаются под прямым углом.

2. Тетрагональная сингония. Два отрезка оси одинаковой длины пересекаются под прямым углом, третья ось перпендикулярна им, и отсекаемый на ней отрезок иной длины.

3. Ромбическая сингония. Три оси разной длины пересекаются под прямыми углами.

4. Моноклинная сингония. Две оси разной длины пересекаются под косым углом, третья ось составляет с ними прямой угол.

5. Триклинная сингония. Три оси разной длины пересекаются под косыми углами.

6. Тригональная сингония. Три отрезка осей равной длины пересекаются в одной плоскости под углом 60 °C, третья ось перпендикулярна этой плоскости, и отсекаемый на ней отрезок имеет иную длину.

7. Гексагональная сингония. Положение осей аналогично их положению в тригональной сингонии.

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет выделить отдельные кристаллографические направления и плоскости.

Кристаллографические направления – прямые лучи, выходящие из любой точки отсчета, вдоль которых располагаются атомы. Точки отсчета – вершины куба. Кристаллографические направления – ребра и диагонали граней куба. Могут быть и другие направления. Кристаллографические плоскости – плоскости, на которых лежат атомы.

Кристаллографические направления и плоскости характеризуются индексами Миллера, которые определяют их различные положения. Параллельные плоскости в кристаллической решетке, построенные идентично, имеют одинаковые индексы. Чтобы индексы получались из простых целых чисел, плоскость можно смещать параллельно. Положение любого узла кристаллической решетки относительно произвольно выбранного начала координат определяют заданием координат х, у, z. Для одной элементарной ячейки эти координаты равны параметрам решетки а, b, с соответственно.

Для определения индекса находят координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом направлении, выраженные через параметр решетки.

Все физические, включая и прочностные, свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на упомянутых направлениях. В кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. В кристаллических веществах должна наблюдаться анизотропия, т. е. неодинаковость свойств вдоль различных направлений.

Анизотропия – результат упорядоченного расположения атомов в кристаллических телах, проявляется в пределах монокристалла. Реальные металлы – тела поликристаллические, включающие многочисленные зерна, произвольно ориентированные друг к друг своими кристаллографическими направлениями и плоскостями. Анизотропия механических свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений.

Реальные металлы имеют усредненную изотропность и называются квазиизотропными или псевдоизотропными телами

Межплоскостное расстояние – кратчайшее расстояние, разделяющее параллельные и равноотстоящие друг от друга узловые плоскости.

5. Классификация дефектов кристаллического строения. Точечные дефекты, зависимость их концентрации от температуры. Краевая и винтовая дислокации

Монокристалл можно вырастить из жидкого расплава. Монокристалл представляет кусок металла из одного кристалла. Металлы и сплавы, которые получают при обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов и имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называют зернами, и они имеют неправильную форму. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, и она отличается от ориентировки соседних зерен.

Внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках металлов имеются дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки это нарушения укладки атомов в решетке. Поверхностные несовершенства – границы зерен металла. Различают следующие структурные несовершенства: дефект решетки, точечный, малый, линейный, плоский. Дефекты кристаллов значительно меняют физические, механические, химические, технологические свойства металлов.

К точечным дефектам относятся вакансии (пустые узлы), чужеродные атомы внедрения. Чем выше температура, тем больше дефектов.

Атомы примесей являются одним из самых распространенных несовершенств кристаллической структуры (вакансии, дислоцированные атомы).

Вакансии – это пустой узел кристаллической решетки, который образуется из-за различных причин. Источники вакансий – границы зерен, в которых нарушено правильное расположение атомов. Число вакансий и их концентрация зависят от температуры в обработке. Число вакансий увеличивается с повышением температуры. Одиночные вакансии встречаются при перемещении по кристаллу и объединяются в пары, образуя дивакансии, при этом уменьшается их суммарная поверхность, устойчивость спаренной вакансии возрастает, возможно образование тривакансий и целых цепочек.

Дислоцированные атомы – это атомы, вышедшие из узла кристаллической решетки и занявшие место в междоузлии. Относятся к точечным дефектам.

Примесные атомы занимают в кристаллической решетке место основных атомов или внедряются внутрь ячейки (разновидность точечных дефектов).

Если правильность кристаллического строения вокруг вакансий, дислоцированных атомов и атомов примесей нарушается, то нарушается и уравновешенность силовых полей атомов во всех направлениях. Все изменения составляют не больше нескольких атомных диаметров. Точечные дефекты взаимодействуют друг с другом. Имеет место взаимодействие точечных дефектов и с дефектами линейными – дислокациями.

Линейные дефекты малы в двух измерениях, в третьем они большего размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла. К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокации. Дислокации могут быть достаточно протяженными в одном направлении, и иметь небольшое протяжение в противоположном направлении. От наличия дислокаций напрямую зависят прочность и пластичность металлов.

Линейные несовершенства – дислокации, они являются особым видом несовершенств в кристаллической решетке. Характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций.

В настоящее время известны различные механизмы образования дислокаций. Дислокации могут возникать при росте зерен, при образовании субзерен. Экспериментально установлено, что границы зерен и блоков имеют большую плотность дислокаций. При кристаллизации из расплава энергетически выгодно, когда зародыш растет с образованием винтовой дислокации на его поверхности. Способствуют образованию дислокаций и сегрегации примесей. В затвердевшем металле дислокации возникают в результате скопления вакансий.

Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой (линейной) дислокацией. Краевая дислокация представляет быстрозатухающее поле упругих напряжений в кристаллической решетке вокруг края экстраплоскости, которое вызвано тем, что выше этого края параметры решетки несколько сжаты, а ниже соответственно растянуты. В одном измерении протяженность дислокации имеет макроскопический характер (дислокация может обрываться только на границе кристалла – она является границей зоны сдвига). Движение краевой дислокации – консервативное.

Конец бесплатного ознакомительного фрагмента.