Материаловедение

Литература
Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение: Учебник для вузов.-СПб: Химиздат, 2007. - 784 с.
Материаловедение: Учебник для вузов / Под ред. Арзамасова Б.Н. - 3-е изд. – М.: Машиностроение, 2002. – 646с.
Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов.- 6-е изд. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.

Материаловедение – наука, изучающая связи между составом, структурой и свойствами металлов, полимеров и композиционных материалов.
Наука о строении и свойствах твердых тел насчитывает около 200 лет.
Российские ученые:
П.П. Аносов в 1831г. впервые изучил влияние углерода на свойства стали.
Д.К. Чернов установил наличие полиморфизма железа.

Тема лекции
Кристаллическое строение материалов
-типы кристаллических решеток
- дефекты кристаллов
●

Современные направления развития материаловедения
Высокопрочные, высокомодульные материалы
Сталь - 1 500 МПа Полимеры – 3 500 МПа
Углерод – 5 500 МПа
Радиационностойкие
Термо- и жаростойкие
Хемостойкие
Материалы с заданными трибологическими свойствами
Наноматериалы (нано - 10 -9 м)

3D-Matrices Processed by Electro-Spinning
Dependence of Fiber’s Diameter on Concentration of CoPA Polymer Solution
CoPA 20% Ø 800 nm
CoPA 30% Ø 1500 nm

Примеры наноструктур

Кристаллическая
структура
материалов

Типы упорядоченности в твердых и жидких телах
Дальний порядок – в каком - то направлении, на расстоянии na от заданного атома обязательно находится атом
Ближний порядок
а – среднее расстояние между атомами

Схема рентгеновского рассеяния

Рентгеновское рассеяние газом, жидкостью и кристаллическим веществом

Кристаллические структуры
Для описания кристаллической структуры используют понятие кристаллической ячейки.
Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла.

Основные типы кристаллических решеток
Кубическая
Тетрагональная
Ромбическая
Ромбоэдрическая
Гексагональная
Моноклинная
Триклинная
Расстояния а, в, с,
между центрами атомов, называются
параметрами или периодами решетки.
.
.
.
x
y
z
a
с
в
β
α
γ

Кубическая решетка
Характеристики:
- углы между осями
α = β =γ =90º
параметры решетки
a = b= c
координационое
число Z = 6

Объемноцентрированная кубическая (ОЦК)
Характеристики:
- углы между осями
α = β =γ =90º
параметры решетки
a = b= c
координационное
число Z=8
Mo, V, W, Feα

Гранецентрированная кубическая (ГЦК)
Координационное
число Z=12
Al, Cu, Au, Ag, Feγ

Гексагональная сингония
призма
с основанием
правильного
шестиугольника

Тетрагональная сингония
прямоугольный
параллелепипед
с квадратом
в основании,
Все углы 90°

Ромбическая
прямоугольный
параллелепипед

Ромбоэдрическая сингония
Все грани - ромбы

Моноклинная
призма
с параллелограммом
в основании
а ≠ в ≠ с

Триклинная
а ≠ в ≠ с

Другие типы кристаллических структур

Методы определения кристаллической структуры
Рентгеновская дифракция
Аморфное Кристаллическое
ацетат целлюлозы ДНК

Индексы Миллера – отрезки, которые плоскость, отсекает внутри элементарной ячейки
Плоскость (111)
пересекает оси XYZ
на расстояниях 1,1,1 единичных расстояний
Плоскость (112)
пересекает оси XYZ
на расстояниях 1,1,1/2 единичных расстояний

Пример графического изображения плоскостей
В кристаллографии за индексы плоскостей принято брать обратные значения индексам Миллера
Плоскости (010), (110), (111) и (0 Ī 0)

Октаэдрическая пора
В ГЦК -решетке
Поры в кристаллических структурах

Поры в кристаллических структурах
Тетраэдрические поры в ОЦК решетке

Дефекты строения
кристаллических тел

Точечные дефекты :
- вакансии (дефекты Шоттки)
- атомы, сместившиеся из узлов решетки в межузельные промежутки (дефекты Френкеля)
- атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях решетки – (примесные атомы)

Точечные дефекты в кристаллической решетке: а) вакансия
б) дефект смещения
в) дефект внедрения

Линейные дефекты
Линейные дефекты имеют малые размеры в двух направлениях, но значительную протяженность в третьем измерении.
Дислокация
(лат. dislocation - смещение)
Обозначение - ┬ или ┴
Дислокации обнаружены с помощью электронного микроскопа

Краевая дислокация
Для краевой дислокации характерно наличие одной «лишней» полуплоскости
Нижний ее край – линия дислокации

Винтовая дислокация
Возникают путем сдвига атомных слоев по плоскости Q,
АВ – линия дислокации

Количественная характеристика искажений структуры кристаллов
Вектор Бюргерса

Вектор Бюргерса может быть получен, если, переходя от узла к узлу, обвести замкнутый контур в кристалле, заключив дислокацию внутрь контура Участок ВС состоит из шести отрезков, а участок DA из пяти.
Разница ВС – DA = b, где
b – величина вектора Бюргерса

Вектор Бюргерса краевой дислокации равен межатомному расстоянию и перпендикулярен линии дислокации.
Вектор Бюргерса винтовой дислокации
равен межатомному расстоянию и параллелен линии дислокации

Металлы делятся на группы
Легкие металлы (Мg, Al, Be, Ti) плотность менее 5 г/см3
Тяжелые металлы (Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Ir, Os) плотность более 10 г/см3
Легкоплавкие (Sn, Pb, Zn) Тпл=232,327,410°С
Тугоплавкие (W, Mo, Nb, Ta) Тпл =выше 1536°С
Благородные (Au, Ag, Pt)
Урановые (актиноиды)
Редкоземельные
Щелочные (Na, K, Li, Ca)

Прочность материалов

Единицы измерения
σ = 1Па = 1Н/м2 (Паскаль) 1 Н= 0,0981кг 10 6 МПа (мега - Паскаль) 10 9 ГПа (гига - Паскаль)
Прочность
Теоретическая Реальная
Железо 13 000 МПа 350 МПа
Графит 125 000 МПа 2500 МПа
Полиэтилен 25 000 МПа 50 МПа

Влияние дефектности кристалла на его прочность

Деформация материалов
Диаграмма растяжения
Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки.
Остаточная (пластическая) деформация сохраняется после снятия нагрузки.
σв – временное сопротивление
σт - предел текучести
σу – предел упругости
σ = εЕ
ε = ΔL/L0 ; ΔL = Lк - L0
Е - модуль упругости (модуль Юнга)

Твердость материалов
По Бриннелю – вдавливание в тело шарика диаметром D под действием постояноой нагрузки Р и измерении диаметра отпечатка d
Число твердости по Бриннелю (HB) – величина нагрузки Р, деленной на диаметр отпечатка d

Твердость по Бриннелю

По Роквеллу –вдавливание алмазного конуса или шарика. Измеряется двумя последовательными нагружениями.
Первое нагружение Р0 = 100 Н
Второе нагружение - три шкалы
шкала С Р1 = 1400 Н, твердость HRC
шкала А Р1 = 500 Н, твердость HRA
шкала В Р1 = 900 Н, твердость HRB
Твердость материалов

Твердость по Роквеллу

Строение металлов и
сплавов

Поликристаллический сплав состоит из зерен
В соседних зернах кристаллиты имеют разную ориентацию
Границы зерен - переходный слой размером 1 – 5 нм
Каждое зерно состоит из субзерен или блоков
Субзерно – часть кристалла относительно правильного строения

Строение зерен и блоков
Зерна с различной ориентацией и граница между ними Размер 30 – 0.1 мкм
Блоки повернуты
Угол Θ = 5’’ - 50 ‘
Размер 0.1 мкм
Зерно I
Зерно II

Структура железа
Строение металлов и сплавов

Шкалы для определения величины зерна

Плавление и кристаллизация
По мере повышения температуры увеличивается подвижность атомов
Атомы вырываются из узлов решетки
Образуется жидкая фаза
Вещество Т пл. 0С
Ртуть (Hg) - 39
Олово (Sn) 232
Алюминий (Al) 660
Железо (Fe) 1536
Вольфрам (W) 3410

Механизм кристаллизации
Зарождение центров кристаллизации
Увеличение концентрации центров
Рост кристаллов из этих центров

Скорость кристаллизации определяется скоростью охлаждения
Если Δ Т = 0 равновесный процесс, кристаллы максимального размера
Если Δ Т> 10 6 ºС/c высокая скорость охлаждения металл аморфный
Механизм кристаллизации

Деформация и разрушение материалов
а) исходное состояние
б) – упругая деформация
в) – хрупкое разрушение

Разрушение материалов
Разрушение – процесс кинетический. Зависит от времени, нагрузки, температуры, структуры
Теория разрушения С.Н.Журкова:
- разрыв химической связи
- образование субмикротрещин (нанометры)
- рост концентрации субмикротрещин
- образование магистральной трещины
Хрупкое разрушение - плоскость разрушения
перпендикулярна нормальным напряжениям
Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касательных напряжений

Разрушение материалов
а) – хрупкий излом
б) – вязкий излом
в) – квазихрупкий излом

Температура
Температура вязко-упругого перехода или температура хрупкости Тхр - температура, при которой предел текучести равен разрушающему напряжению
Хладоломкость - способность материала хрупко разрушаться при пониженных температурах
Факторы, влияющие на характер разрушения материалов

кристаллическое строение - ОЦК
размер зерна
Внутренние факторы, влияющие на характер разрушения материалов
Зависимость разрушающего напряжения (1) и предела текучести (2) от размера зерна

Упрочнение металлов под действием пластической деформации - наклеп
Зерна меняют свою форму и ориентацию
Текстура – преимущественная ориентация
Факторы, влияющие на характер разрушения материалов

Возврат – уменьшение искажений кристаллической решетки
Рекристаллизация – образование новых равноосных зерен
Факторы, влияющие на характер разрушения материалов

Температурные режимы обработки металлов

Строение и свойства сплавов
Сплав - сложное вещество, состоящее из нескольких элементов
Фаза – однородная часть сплава (состав, свойства, структура – одинаковы)
Компоненты сплава образуют:
- механические смеси
- химические соединения
- твердые растворы

Строение и свойства сплавов
Форма частиц второй фазы:
а) карбиды инструментальных сталях
б) пластинчатый графит в сером чугуне
в) пластинчатый перлит
в
.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Построение диаграммы состояния
Вещества А и В неограниченно растворимы
В 100%

Вещество А не растворимо в веществе В в твердом состоянии
Соотношение фаз в (•) К
Qs x s k = Ql x l k
Qs / Ql = lk/sk
Qs / Ql+s = lk/ls

Ограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии
А В
GCH – ликвидус
GECDH – солидус
С – эвтектика - механическая смесь двух видов кристаллов

Железо и его свойства
Химически чистое железо Fe
Плотность 7,86 г/см3
Т пл = 1536 ºС
Прочность σв = 50 МПа
Удлинение δ = 50%
ГЦК (γ –железо) 910 ≤ Т ≤ 1393 ºС
ОЦК (α –железо) Т < 910; Т > 1393 ºС
Хим соединение с углеродом Fe 3 C

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α – железе
Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ – железе
Цементит – химическое соединение (карбид железа) Fe 3 C
Мартенсит – пересыщенный раствор углерода в α – железе
Перлит - механическая смесь феррита и цементита (0,8%С)
Ледебурит - механическая смесь аустенита и цементита (4,3%С)

Диаграмма состояний железо - цементит

Микроструктура сталей с различным содержанием углерода
а) – 0,1%
б) – 0,4%
в) – 0,8%
г) – 1,2%

Превращения в сталях при охлаждении

Влияние углерода на свойства сталей
НВ – твердость по Бриннелю
σв – временное сопротивление
δ – относительное удлинение
ψ -относительное сужение
KCU – ударная вязкость

Классификация чугунов
Чугуны – сплавы железа с углеродом, содержание углерода более 2,14%
Белые – углерод связан в цементит Fe3C
Серые – углерод находится в виде графита
Серые чугуны подразделяются
по форме включений графита на:
серые, ковкие и высокопрочные
По структуре металлической основы на:
перлитные (С=0,8%),
феррито-перлитные (С <0,8%),
ферритные (С <0,02%)

Микроструктура серых чугунов

Высокопрочные чугуны
Включения графита имеют шаровидную форму
Получают модификацией магнием и церием

Маркировка сталей
В России и на территории СНГ принята буквенно-цифровая система обозначения марок сталей и сплавов.
Стали обыкновенного качества маркируют Ст0…..Ст3….Ст6, где «Ст» означает сталь, а цифры–порядковый номер марки стали.

Углеродистые конструкционные качественные стали обозначают двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25...80; 85).
Углеродистые инструментальные стали обозначают буквой "У" и следующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента (например, У7; У8; У9; У10; У11; У12; У13).

Легированные стали
Основные легирующие элементы:
А-азот, Б-ниобий, В-вольфрам,
Г-марганец, Д-медь, Е-селен, К-кобальт,
М-молибден, Н-никель, П-фосфор, Р-бор,
С-кремний, Т-титан, Ф-ванадий, Х-хром,
Ц-цирконий, Ч-редкоземельные элементы,
Ю-алюминий.
Легированные стали

Цифры после буквы показывают примерное количество того или иного элемента, округленное до целого числа.
При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят.
Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные легированные стали) или
десятых (инструментальные стали) долях процента
конструкционная 45ХН2МФА
инструментальная (штамповая) – 4Х5МФС
Маркировка легированных сталей

Если содержание углерода в инструментальных легированных сталях 1% и более, то цифру в начале марки иногда вообще не ставят (например, Х, ХВГ).
Буква "А" в конце марки, то сталь высококачественная (ЗОХГСА).
Буква "А" стоит в середине марки - сталь легирована азотом (16Г2АФ).
Буква "А" начале марки –сталь автоматная повышенной обрабатываемости (А35Г2).

Виды термической обработки
Закалка – термическая обработка , в результате которой образуется неравновесная структура.
Сплав нагревается выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение.
Сплавы закаливают для упрочнения.
Прочность возрастает либо в результате мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к измельчению зерна.

Отпуск – термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуры к равновесной.
Сочетание закалки с отпуском приводит к повышению прочности, твердости.
При отпуске происходит частичный распад пересыщенного твердого раствора.