Презентация по дисциплине материаловедение "Строение и свойства металлов" для групп СПО и НПО

Материаловедение

Строение и основные свойства металлов

Литература:

1. Лившиц Б.Г. Металлография. М.: Металлургия, 1971 или 1990.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1984. 360 с. (Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева, 3-е изд., перераб. и доп. М. Машиностроение 1990)

3. Научные основы материаловедения./ Под ред. Б.Н.Арзамасова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 1994, 366 с.

4. Солнцев Ю.П. Материаловедение. Academia; 2007 г.; 493 стр.

5. Зарипов Н.Г. Методы металлографического анализа. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Материаловедение». Уфа, 1999.

6. Зарипов Н.Г., Зарипова Р.Г. Структура сплавов в равновесном состоянии. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Материаловедение". Уфа, 1999.

Павел Петрович Аносов

П.П. Аносовым впервые было введено в практику и распространено понятие о макроструктуре как о показателе качества металла, а также обосновано выявление макроструктуры травлением и применение микроскопа для изучения макроструктуры как метода исследования.

П.П. Аносов - зачинатель производства специальных сталей - титановых, марганцевых, хромистых и других.

В 1837 г. из выплавленного булата Павел Петрович изготовил первый клинок. С этого времени на Златоустовской фабрике началось массовое производство булатных сабель и шашек.

Дмитрий Константинович Чернов

[20. 10(1.11). 1839, Петербург, - 2.1.1921, Ялта], русский учёный в области металлургии, металловедения, термич. обработки металлов.

В 1866-68 в результате практич. изучения причин брака при изготовлении орудийных поковок, а также глубокого анализа работ своих предшественников П. П. Аносова, П. М. Обухова, А. С. Лаврова и Н. В. Калакуцкого по вопросам выплавки, разливки и ковки стальных слитков Чернов Д. К. установил зависимость структуры и свойств стали от её горячей механич. и термич. обработки . Чернов Д. К. открыл критич. температуры, при которых в стали в результате её нагревания или охлаждения в твёрдом состоянии происходят фазовые превращения, существенно изменяющие структуру и свойства металла.

Металлы – это вещества, которые имеют в твердом состоянии кристаллическую решетку и коллективизиро-ванные электроны.

Среди всех известных элементов, металлов - подавляющее большинство - 76. Такие элементы как Si, Ge, As, Se, Te относят к полупроводникам (их свойства находятся между свойствами металлов и неметаллов).

Металлы делятся на простые и переходные .

Простые – металлы с полностью заполненными или полностью незаполненными электронами d- и f- оболочки.

Пример.

Переходные – металлы, где электронные уровни заполнены непоследовательно.

Пример.

Металлы обладают рядом характерных свойств:

- высокой тепло- и электропроводностью;

- положительным температурным коэффициентом электро-сопротивления;

- термоэлектронной эмиссией;

- хорошей отражательной способностью;

- повышенной способностью к пластической деформации.

Атомы металла легко расстаются со своими валентными электронами. Ионизационный потенциал у металлов низок (4…9 эв), у неметаллов - более высокий (10 эв и выше). Ионизационный потенциал полупроводников С, Si, Ge, Аs, Sе,Те,  -Sn занимает промежуточные значения (8…10 эв).

Металл можно рассматривать как коллектив положительных ионов, находящихся в среде свободных электронов. Взаимодействие между положительными ионами и коллективизированными электронами – основа металлической связи . Она не имеет направленного характера. Ионы сохраняют постоянное положение и образуют пространственную решетку кристалла. Электроны металла не фиксированы в определенных местах. Они заполняют все промежутки между ионами.

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие твердое кристаллическое тело. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме называется элементарной кристаллической решеткой .

Кристаллические пространственные решетки делят на 7 систем - сингоний , исходя из соотношения между осевыми единицами и углами. Стороны параллеле-пипеда обозначаются через вектора a, b и с, которые называются параметрами кристаллической решетки , и углы  ,  и  . В результате получаются 14 типов кристаллических решеток, которые называются решетками Браве.

Сингония

Соотн. м/у осями

Кубичес-кая

Углы между осями

a = b = c

Гексаго-нальная

Возможные типы кристалл. решеток

Тетраго-нальная

 =  =  = 90 o

a = b  c

Ромбоэд-рическая

a = b  c

 =  = 90 o

Примитивн., ОЦК, ГЦК

Примитивная

 = 120 o

 =  =  = 90 o

Ромби-ческая

a = b = c

Моно-клинная

a  b  c

Примитивная и ОЦК

 =  =   90 o

Примитивная

 =  =  = 90 o

a  b  c

Триклин-ная

Примитивная, базоцентри-рованная, ОЦК и ГЦК

 =  = 90 o   90 o

a  b  c

Примитивная, базоцентрированная

      90 o

Примитивная

Металлы образуют кристаллические решетки:

кубическую объемноцентрированную (ОЦК),

кубическую гранецентрированную (ГЦК),

гексагональную (ГП).

Плотность кристаллической решетки характеризуется координационным числом , т.е. числом ближайших соседних атомов, окружающих данный атом. Чем выше к. ч. - тем больше плотность упаковки атомов.

В ОЦК решетке - наименьшее расстояние d = 0,5a  3 . На этом расстоянии находятся 8 атомов. К = 8 . Коэффициент заполнения - 0,68 .

В ГЦК решетке - наименьшее расстояние d = 0,5a  2 . К = 12 . Коэффициент заполнения - 0,74 .

В ГП решетке - наибольшая плотность атомов при с/a=1,633. К = 12. Коэффициент заполнения - 0,74 .

Для обозначения плоскостей пространственной решетки кристалла используют индексы Миллера .

Порядок определения индексов для данной плоскости:

1. Найти точки пересечения данной плоскости со всеми тремя осями координат в кристалле.

2. Взять обратную величину от найденных чисел.

3. Привести индексы к наименьшим целочисленным значениям, сохраняя при этом их соотношение.

4. Заключить индексы в круглые скобки (hkl).

Для обозначения плоскостей ГП решетки пользуются индексами Миллера-Браве (hkil), где i= - (h+k).

Кристаллографические направления обозначаются индексами [u v w], где u v w - простые числа, пропорциональны координатам выбранного узла вдоль осей X Y Z, который лежит на прямой, проходящей через начало координат, выраженных в осевых единицах. Примеры.

Наиболее плотноупакованными плоскостями для ОЦК решетки является (110), для ГЦК (111) и для ГП решетки (0001). Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных плоскостях многие физические и механические свойства зависят от направления вырезки образцов. Подобная неодинаковость свойств по различным кристаллографическим направлениям называется анизотропией .

Пример. Для монокристалла чистой Сu (ГЦК) предел прочности в направлении [100] составляет 146 МН/м 2 , а в направлении [110] - 350 МН/м 2 .

Преимущественная ориентировка кристаллографичес-ких плоскостей относительно какого-либо направления называется текстурой .

Конец лекции

ОЦК металлы - W, Mo, Cr, V, Ka, Na, Li,  -Ti,  -Fe, Ta и др.

ГЦК металлы - Al, Cu, Ni, Ag, Au, Pb,  -Fe, Pd, Ir, Ce и др.

ГП металлы - Mg, Zn,  - Ti, Cd, Be,  - Zr, Os и др.

1s2 2s2p6 3s2p6 d10 4s2

1s2 2s2p6 3s2p6 d6 4s2