Кристаллическое строение металлов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Учебное пособие

Челябинск

Издательский центр ЮУрГУ

УДК 620.22(075.8)+669.017(075.8)

И15

Одобрено

учебно-методической комиссией

физико-металлургического факультета

Рецензенты:

доц. к.т.н. Р.З. Нагамазьянов, доц. к.т.н. Н.М. Соловьев

Ибрагимов, Х.М.

И15 Материаловедение: учебное пособие / Х.М. Ибрагимов, В.И. Филатов, Н.А. Шабурова. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. – 38 с.

ISBN

Учебное пособие по курсу «Материаловедение» предназначено для студентов-заочников машиностроительных специальностей.

В пособии приведена полная программа курса с методическими указаниями по каждой теме, предложены варианты контрольных работ №1 и №2.

УДК 620.22(075.8)+669.017(075.8)

ISBN © Издательский центр ЮУрГУ, 2010

ПРЕДИСЛОВИЕ

Модернизация экономики страны невозможна без создания и освоения новых экономичных материалов, обладающих разнообразными механическими и другими свойствами.

Материаловедение – наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, и объективные закономерности зависимости их свойств от химического состава, строения и способа обработки.

Курс “Материаловедение“ вместе с другими техническими дисциплинами дает студентам общепрофессиональную подготовку, закладывает основы знаний, необходимых для изучения специальных дисциплин, выполнения курсовых и дипломного проектов, а также успешной трудовой деятельности.

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать физическую сущность явлений, происходящих в материалах под воздействием различных факторов, и влияние их на строение и свойства материалов; основные свойства и области применения современных металлических и неметаллических материалов;

уметь на основе анализа условий работы деталей машин или инструмента правильно выбирать материал и его обработку для получения служебных свойств, обеспечивающих высокую надежность и долговечность изделий.

Дисциплина “Материаловедение” состоит из двух самостоятельных разделов:

1) металловедения,

2) неметаллических и композиционных материалов.

ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Раздел 1. МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Введение

Роль металлов и их сплавов в современной технике. Краткие сведения об истории развития науки о металлах. Вклад отечественных и зарубежных ученых.

Понятия о структуре металлов (макроструктура, микроструктура, субструктура). Методы изучения структуры металлов. Сущность и возможности макроскопического и микроскопического методов исследования строения металлов.

Методические указания

Из определения металловедения как науки необходимо четко уяснить, что между химическим составом, строением, т.е. структурой и свойствами металлов и сплавов существуют определенные связи. При этом свойства металлических сплавов определяются их химическим составом и структурой. Поэтому для получения заданных свойств необходимо правильно выбрать марку сплава и провести термическую или иную его обработку с целью получения такой структуры, которая обеспечит требуемые свойства.

В металловедении применяют различные методы исследования, которые можно разделить на 3 группы:

1) структурные, позволяющие непосредственно наблюдать строение металлов (к ним относятся макроскопический и микроскопический методы),

2) физические, с помощью которых можно косвенно судить о превращениях, протекающих в металлах и воздействующих на их структуру, по изменению физических свойств (объема, теплосодержания, электросопротивления, намагниченности насыщения и др.),

3) дифракционные, в которых для изучения кристаллического строения (типа решетки, ее периодов и т.д.) используется дифракция излучения на кристаллической решетке (рентгеноструктурный, электронографический и др.).

Кристаллическое строение металлов

Характерные признаки металлического состояния. Металлический тип связи. Понятия о кристаллической решетке и элементарной ячейке. Основные типы кристаллических решеток металлов. Явление полиморфизма. Анизотропия свойств кристаллов.

Дефекты кристаллического строения металлов (ДКС). Точечные ДКС: вакансии, межузельные атомы. Дислокации: краевые, винтовые, криволинейные. Поверхностные ДКС: границы зерен и субзерен. Влияние ДКС на свойства металлов.

Методические указания

Уясните характерные свойства металлов, отличающие их от неметаллов. Обратите внимание на то, что металлы характеризуются особым типом межатомной связи, называемым металлическим.

Металлы имеют плотноупакованные кристаллические решетки: кубическую объемно-центрированную (ОЦК), кубическую гранецентрированную (ГЦК), гексагональную плотноупакованную (ГПУ). Уясните, какими величинами характеризуются решетки (периоды, координационное число, базис решетки, плотность упаковки и т.д.). Явление полиморфизма рассмотрите на примере железа.

В реальных металлах нет идеально правильного расположения атомов во всем объеме кристалла, т.е. в них всегда имеются дефекты кристаллического строения. Необходимо знать основные виды ДКС и влияние их на свойства металлов. При этом особое внимание следует уделить дислокациям.

Кристаллизация металлов

Термодинамические основы, механизм и кинетика кристаллизации чистых металлов. Самопроизвольное и несамопроизвольное образование зародышевых центров. Рост зародышей. Форма и размер кристаллов. Модифицирование жидкого металла. Строение слитка. Аморфные металлы (особенности строения, способы получения, физические и механические свойства).

Методические указания

Первичная кристаллизация происходит путем возникновения в исходной (жидкой) фазе небольших объемов новой (твердой) фазы, называемых зародышевыми центрами, и их последующего роста. Размер кристаллов (зерен) при затвердевании, который определяется соотношением количества возникающих зародышей и скорости их роста, оказывает большое влияние на свойства металлов. В большинстве случаев металл должен иметь мелкозернистое строение. Уясните, какие факторы влияют на размер зерна литого металл, и какими практическими методами можно регулировать величину зерна при кристаллизации.