Шпаргалки по "Материаловедению"

1. Основные признаки металлического состояния. Нормальные и переходные металлы.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определ¨нным набором свойств:

• «металлический блеск» (хорошая отражат. способность);
• пластичность;
• высокая теплопроводность;
• высокая электропроводность.

Металлическое состояние – основная хар-ка: положительного температурного коф. эл.сопр.

Нормальные:

 

Переходные:

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электр. газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка.

 

 

 

 

 

 

2. Осн. типы кристалл. решеток металлов. Плотность упаковки, координ. число, число узлов на элем. ячейку.

В зависимости от расположения атомов в ячейке различают простые, кубические, объемно-центрированные кубические, гранецентрированные кубические, гексагональные решетки.

1.Простая решетка представляется в виде куба, в узлах которой располагаются атомы. Простейшая решетка опис. одним параметром, это ребро куба а.

2.Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК) представляет собой также куб, внутри которого дополнительно расположен еще один атом. Параметры решетки длина ребра куба а.

3.Гранецентрированная кубическая решетка (ГЦК) представляет собой куб, В центре каждой грани которого расположены допол. по одному атому.

4.Гексагональная плотно упакованная решетка. В отличие от кубической хар. двумя параметрами а и с.

В случае, если отношение с/а=1,666, то решетка считается плотноупакованной, а иначе – неплотно упакованной.

Примеры: ОЦК – вольфрам, молибден, железо Fea; ГЦК – алюминий, медь, никель, железо Feg; ГПУ – бериллий. Некоторые металлы индий, имеют тетрагональную решетку.

Плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для ОЦК– 0,68, для ГЦК – 0,74)

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

3. Различие понятий: кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Кристаллографические индексы узлов, направлений, плоскостей.

Кристаллическая структура – конкретное расположение матер. частиц (атомов, ионов) в пространстве.

Кристаллическая решетка – условно точечное построение, с помощью которого мы описываем кристаллическую структуру.

Кристаллическая решетка бесконечна по строению, а кристаллическая структура конечна.

Под кристаллограф. плоскостями понимается 3 целых взаимно простых числа обратно пропорц. числу осевых единиц, отсекаемых данной плоскостью по коорд.осям x,y,z.

ABCD (100), AFKB (001), BKLD (010)

Под индексами кристаллографических плоскостей и направлений было вызвано потребностью объяснить зависимость свойств металлов от направлений кристаллографических плоскостей. Иными словами, дать объяснение с точки зрения техники понятие влияния анизотропии.

По различным направлениям в кристалле располагаются различные количества атомов: физические, химические, механические при прочих равных условиях и определяются числом атомов, расположенным в данном направлении; чем больше количество атомов расположено в данном направлении, тем выше уровень свойств.

Неодинаковость свойств по различным направлениям в кристалле и называется анизотропией. Кристалл анизотропен.

 

 

 

4. Реальные строения металлических кристаллов. Точечные и линейные дефекты в кристаллах и их влияние на свойства кристаллов.

Реальные металлы в своей структуре содержат дефекты, которые подразделяются на точечные, линейные и поверхностные, объемные.

Точечные дефекты возникают при воздействии тепловых или силовых нагрузок.

В результате узел, из которого вышел атом, остается вакантным. Этот дефект получил название – вакансия. Вышедший атом, попавший в междоузлие – также дефект, получивший название дислоцированный атом. Примесные атомы.

Линейные дефекты. В отличие от точечных линейные дефекты имеют большую протяженность в одном направлении и малое искажение решетки в других. Линейные дефекты получили название – дислокации.

Дислокации бывают краевые, винтовые и смешаные.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости – экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа.

Винтовая дислокация–искажение происходит по винтовой плоскости.

 

 

 

 

5. Осн. мех. пластич. деф. Наклеп. Изм. тверд., плотн., электросопр., корроз. стойкости метал.и сплавов при наклепе.

Под воздействием приложенных из вне нагрузок металлы могут деформироваться в упругой области (без остаточных явлений), а именно без изменения размеров и деформироваться пластически, когда изменяется форма и размеры деф. металла.

Пластическая деформация может проходить по двум механизмам: скольжения и двойникования.

При реализации механизма скольжения часть кристалла смещается  по отношению к другой под воздействием напряжений, превышающих крит. величину. Это скольжение осуществляется по так называемым плоскостям скольжения.

Деформация по механизму двойникования заключается в смещении одной части кристаллов в зеркальное отражение по отношению к другой по, так называемым, плоскостям двойникования.

Деформация двойникования также как и скольжения осуществляется при прохождении дислокации через кристалл. Практически любой металл деформируется сразу по двум механизмам с преобладанием какого-либо 1.

Наклёп – это совокупность структурных изменений и связанных с ними св-в при холодной пластичной деформации.

В рез-те деф-ции зёрна выстраиваются (вытягиваются в направлении действующей нагрузки. Развивается анизотропия в металле – различие св-в по различным направлениям в металле.

Выше св-ва в направлении пластич. деф. (действующей нагрузки). При холодной пластич. дефор. прочностные хар-ки (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как хар-ки пластич. (относит. удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз. Упрочнение металлов при холодной пластич. деф-ции обусловлена увелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увелич. числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками.

6. Влияние нагрева на строение и свойства холоднодеф. металла. Возврат и рекристаллизация.

Возврат явл-ся самой низкой T обработкой позволяющей воздействовать на структурные состояния деформированного металла. Различают две стадии возврата: низкотемпературную (отдых) и высокоT. (полигонизация).

В процессе отдыха происходит перераспределение точечных дефектов. Перемещаются по кристаллу и дислокации, однако эти перемещения носят локальный хар-р. Дислокации различного знака встречаясь друг с другом взаимно аннигилируют, т.е. взаимоуничтожаются. Рез-ом этого являются некоторые снижения плотности дислокации. В процессе полигонизации происходит перемещение дислокации по кристаллу. Дислокации перемещ-ся хаотич. по объёму кристалла. Под воздействием тем-ры дислокации перемещаясь концентрир-ся в определённых участках стр-ры с образованием стенок и т.наз. полигонов.

После полигонизации происходит некоторый возврат св-в к св-вам металла до деф-ции.

Рекристаллизация. После достижения опред. T происходит изменение уже на микроскопическом уровне. Под микроскопом на фоне вытянутых зёрен можно наблюдать мелкие зёрна равноосной формы. По мере увеличения длительности отжига или повышении T происходит рост мелких зёрен за счёт вытянутых деформируемых зёрен. Образование и рост новых зёрен за счёт деформированных зёрен той же фазы наз-ся первичной рекристаллизацией.

При дальнейшем увелич. T и длительности отжига происходит «поедание» одними зёрнами других зёрен. Следствием явл-ся разнозёренность стр-р. В пределе можно достичь того, что стр-ра металла будет состоять только зи очень крупных зёрен. Это так наз. собирательная рекристаллизация.

T начала рекристаллиз. не явл-ся постоянной физ. величиной как, например, тем-ра плавления металла. T начала рекристаллиз. будет зависеть от степени предварительной деф-ции металла, длительности процесса и ряда др. факторов.

7. Строение сплавов. Механические смеси, хим.соединения.

Сплавом называют результат сплавления двух или более компонентов. Компоненты - это химически индивидуальные вещества образовывающие сплав. 

Фаза – однородная часть системы отграниченная поверхностью раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачкообразно.

В зависимости от характера компонентов, в сплаве могут образоваться хим. соединения, твердые растворы, механические смеси.

Хим. соединения образуются при строго определенном количественном соотношении атомов. Для хим. соединения характерным является то, что кристаллическая решетка его отличается от кристаллической решетки сплавляемых компонентов. Если хим. соединение образуют металлы, то его называют интерметаллидом.

Механические смеси. Некоторые компоненты при сплавлении не взаимодействуют с образованием хим. соединений или твердых растворов. Они образуют механические смеси. Механические смеси отличаются от хим. соединений и твердых растворов тем, что в них сохраняются типы решеток характерных для сплавляемых компонентов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Твердые растворы. Основные типы твердых растворов.

Они образуются в том случае, когда в кристаллической решетке одного компонента атомы замещаются на атомы другого компонента. Это твердые растворы замещения. Бывают твердые растворы внедрения, твердые растворы вычитания.

 Твердые растворы замещения подразделяют на растворы неорганической и органической растворимости.

1) Основ. металл, атомы в котором замещаются – растворитель.

2) Растворенный компонент. Для того, чтобы получить твердый раствор неорганической растворимости замещаются атомы растворенного компонента. Необх. выполнение трех условий:

а) Кристаллические решетки обоих компонентов являются изоморфными (однотипными)

б) Разница в атомных радиусах не должна превышать 14 & 15 %

в) Сплавляемые компоненты должны находиться в одной части периодической таблицы.

Невыполнение хотя бы одного из условий приводит к образованию твердых растворов ограниченной растворимости. К растворам, в которых атомы кристаллической решетки растворителя частично замещаются атомами растворимого компонента.

Твердые растворы внедрения.

Твердые растворы внедрения образуются, когда атомы одного компонента внедряются в пустоты или дефекты другого компонента. Такое возможно лишь в случае большого различия в атомных радиусах компонента. Твердые растворы внедрения образуют металлы с углеродом, азотом и твердые растворы замещения.

Твердые растворы вычитания.

Они образуются на базе хим. соединений при недостатке атомом одного из компонентов. Отдельные узлы кристаллической решетки растворителя остаются вакантными.

9. Металлические соединения. Электронные соединения, фазы внедрения, фазы Лавеса. 

Электронные соединения–это образования между одновалентными (медь, серебро, золото) или металлами переходных групп (железо, магний, кобаль) и простые с 2 до 4 валентностью. Число валентных к числу атомов – электро концентрация (1.62; 1.5; 1.75) (медь цинк 1.5) (Cu3Al4 Cu5Tn) 1.62 – Cu5Zn8, 1.75 – CuZn3, Cu3Si, Cu3St4).1.5 – ОЦК, ГПК.

Фазы Лавеса–это промежуточные фазы почти пост. Сост. AB2 между компонентами диаметром 1.1 – 1.6. Образ с разными таблицами периодов элементов. B<A на 20-30%.   ГПК – MgZn2,   ГЦК – MgCu2. в магнитном поле ведут себя как диэлектрики.

Фазы внедрения–C, H, N, B – карбиды, нитриды, бориды – фазы внедрения (M4X).Соотношение радиусов метала и не метала  кристаллическая структура фаз внедрения опред если меньше 0,59 следовательно кристаллические решетки простые. Иначе – сложные решетки и они не фазы внедрения; твердые растворы вычитания на базе фаз внедрения (ванадий С, цирконий С) явл фазами переменного состава и карбиды явл саамами твердыми (карбид титана, карбид циркония).