Конструкционные материалы

Лекция 1: конструкционные материалы
Материалы с повышенной и высокой прочностью для работы в условиях высоких температур
Материалы с малой плотностью и высокой удельной прочностью
Материалы с повышенными технологическими свойствами
Материалы триботехнического назначения, включая
износостойкие твердые и мягкие
Материалы с высокими упругими свойствами
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и внешней рабочей среды
Материалы с особыми физическими свойствами

Лекция 1: конструкционные материалы
Распределение материалов по классам

Лекция 1: конструкционные материалы
Классы конструкционных материалов

Лекция 1: конструкционные материалы
Конструирование изделий и свойства материалов

Лекция 1: конструкционные материалы

Лекция 1: конструкционные материалы
Материалы и цены

Лекция 1: конструкционные материалы
Приблизительные величины энергозатрат
при производстве различных материалов, ГДж/т

Лекция 1: конструкционные материалы
Материалы, из которых изготавливают автомобиль

Лекция 1: конструкционные материалы
А. Высокопрочная сталь
Сохранение существующей технологии
Достаточная экономия веса только в деталях, производимых пластической
деформацией

Лекция 1: конструкционные материалы
Распространённость элементов в земной коре, мировом океане и атмосфере

Лекция 1: конструкционные материалы
Диаграмма Мак-Элви, демонстрирующая соотношение между запасами и ресурсной базой
Рентабельность разработки месторождений:
золото –
(4-5) г/тонну;
железо:
160 кг/тонну

Лекция 1: конструкционные материалы

Лекция 1: конструкционные материалы

Лекция 1: конструкционные материалы
Экспоненциальный рост потребления материалов
Обычные темпы роста 1-5% в год, r -ежегодный прирост в %. Интегрирование даёт C=C0exp[r (t-t0)/100], где C0 - объём потребления в начальный момент времени t= t0. Время удвоения потребления - C/C0 = 2, откуда tD = 100/r ×ln2≈70/r.

Лекция 1: конструкционные материалы
Объёмы и скорости роста потребления некоторых материалов
Рост потребления стали ~ 2% в год, полимеров ~4-5%,
удвоение каждые 35 и 14 лет, соответственно

Лекция 1: конструкционные материалы
Сплавы на основе железа

Лекция 1: конструкционные материалы
Медные сплавы
Никелевые сплавы

Лекция 1: конструкционные материалы
Сплавы на основе алюминия

Сплавы на основе титана

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Самородная медь
Самородное золото

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Железный метеорит Hoba (Намибия)
Сихотэ-Алиньский метеорит

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Плавка металлов в
Древнем Египте
Плавка металлов
в Скифии

Лекция 1: металлы их классификация и свойства

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Металлом называют простое (т.е. состоящее из атомов одного сорта) вещество, обладающее в обычном состоянии рядом характерных свойств:
• высокой тепло- и электропроводностью;
•уменьшением электрического сопротивления при понижении температуры;
• кристаллическим строением и способностью к пластической деформации;
• специфическим блеском.

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Наука о металлических материалах - металловедение - изучает
• зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов;
• закономерности процессов, происходящих в металлах и сплавах при механических, тепловых, химических и радиационных воздействиях.

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Все металлы принято разделять на два класса: черные и цветные. К черным металлам относят железо и его сплавы. Остальные металлы относят к цветным.
Цветные металлы условно делят на пять подгрупп:
Основные тяжелые металлы: медь, никель, свинец, цинк и олово.
Малые (младшие) тяжелые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт.
Легкие металлы: алюминий, бериллий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, и стронций.
Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий и иридий).
Редкие металлы.

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
По промышленной классификации редкие металлы подразделяются на:
а) тугоплавкие — вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, цирконий и гафний, титан;
б) легкие редкие, называемые иногда щелочными металлами, — литий, бериллий, рубидий и цезий;
в) рассеянные — не образующие в природе собственных месторождений рудного сырья, — галлий, индий, таллий, германий, селен, теллур и рений;
г) радиоактивные — полоний, радий, актиний и актиниды (торий, актиний, уран и заурановые элементы);
д) редкоземельные (редкие земли) — скандий, иттрий, лантан и лантаниды (всего 14 от церия до лютеция).
К тугоплавким отнесены металлы, температура плавления которых равна или выше температуры плавления железа - 1539 °С!

Лекция 1: металлы их классификация и свойства

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Металлический кристалл как ионно-кристаллическая система: каркас из упорядоченных положительно заряженных ионов «погружён» в электронный газ
Изменение энергетического спектра электронов при сближении атомов: а-металл

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов
Элементарная кристаллическая ячейка – фрагмент кристаллической решётки, имеющий минимальный объём и правильно отражающий её симметрию
Величины а, b, с; α, β, γ называют параметрами элементарной кристаллической ячейки, а длины рёбер а, b, с параллелепипеда повторяемости - периодом кристаллической решётки

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов
14 решёток Бравэ

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов
В подавляющем большинстве случаев кристаллические решетки металлов обладают либо кубической, либо гексагональной симметрией. Наиболее распространенными среди металлов типами кристаллических решеток являются объемноцентрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Международные обозначения ВСС (Body-Centered Cubic), FCC (Face-Centered Cubic), HCP (Hexagonal Close-Packed), соответственно.

Лекция 1: металлы их классификация и свойства

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов
а б
Элементарные кристаллические ячейки ОЦК (а) и ГЦК (б)

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Кристаллическая решетка ГПУ:
а) элементарная ячейка;
6) соотношение между ромбической и гексагональной ячейками;
в) гексагональная ячейка

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов
Гексагональная (а) и кубическая (б) плотнейшие упаковки

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Некоторые плотнейшие упаковки
различной слойности: 2,3,4,6,9,12
Структура AgBiTe2

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов
Структура некоторых металлов со сложной координацией:
β -вольфрам,
β- марганец,
α- марганец,
α -уран

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Структура некоторых металлических фаз

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Поликристаллическое строение и полиморфные модификации металлов
Анизотропия - неодинаковость механических, физических или любых других свойств кристалла в зависимости от кристаллографического направления.
Реальные технические металлы являются веществами поликристаллическими: они состоят из множества мелких анизотропных кристаллов, которые ориентированы друг относительно друга случайным образом. Поэтому свойства металла как бы усредняются и в результате практически не зависят от направления. В этом смысле поликристаллические металлы квази-или псевдоизотропны.
Металлические кристаллы в составе поликристаллического материала называют кристаллитами или зернами, а поверхности раздела - границами зерен.

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов
Поликристаллическое строение и полиморфные модификации металлов
Существование одного металла в различных кристаллических формах при разных температурах называют полиморфизмом или аллотропией, а
процесс перехода металла из одного кристаллического состояния в другое называют полиморфным (аллотропическим) превращением.
Т1 < Т2 < Т3
α β γ δ
Изоморфизм – однотипность структуры химически разнородных веществ с возможностью образования между ними твёрдых растворов.
Политипия – изменение типа плотнейшей упаковки без изменения координационного числа.

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов
Поликристаллическое строение и полиморфные модификации металлов
Р-Т –диаграммы:
в-железо,
г-церий,
д-таллий,
е-уран

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов
Поликристаллическое строение и полиморфные модификации металлов
Полиморфные превращения в железе

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов
Поликристаллическое строение и полиморфные модификации металлов

Лекция 1: металлы их классификация и свойства
Атомно-кристаллическое строение металлов