Материаловедение и технология конструкционных материалов

Материаловедение и технология конструкционных материалов
16 лекций (32 час)
8 практических занятий (16 час)
4 лабораторные работы по 4 часа. (16 час)
Презентация по разделу курса.
Допуск к экзамену при выполнении всех практических занятий, лабораторных работ и предоставлении презентации.

Рейтинговая оценка знаний
Оценка результатов обучения: 90-100 баллов - 5
75 – 90 балла – 4; 65 – 74 балла - 3

Перечень практических занятий

Литература
Основная литература
Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. Учебник для вузов. – С.П.: Химиздат, 2004, 735 с.
Пейсахов А.М. Кучер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов. СПб.: Изд-во Михайлова, 2003, 2004 г
Методическая литература
Лихачев В.А. Материаловедение и технология конструкционных материалов/ В.А.Лихачев . Учебное пособие. –Киров: Изд-во ГОУ ВПО «ВятГУ», 2010. – 64с.

Модуль 1. Основы строения и свойства материалов.
Слайд 1.01
Конструкционные материалы в истории человечества.

На сегодняшний день широко применяются следующие основные виды конструкционных материалов:
Металлы и сплавы;
Полимерные материалы (пластмассы, эластомеры);
Бетон, железобетон;
Дерево;
Керамические материалы;
Композиционные материалы;
Углеродные материалы.
Современные конструкционные материалы

Применение металлов

Применение металлов
Европа

Применение железа
Вначале метеоритное железо
Затем получение в ямах
Получение в печах

Из всех известных видов конструкционных материалов металлы продолжают оставаться самыми распространёнными и по сей день.
Черные (железо и его сплавы: сталь, чугун);
Лёгкие (плотность до 5 г/см3) – алюминий Al, титан Ti;
Тяжёлые (плотность свыше 10 г/см3) - свинец Pb, вольфрам W;
Легкоплавкие - олово Sn, цинк Zn;
Тугоплавкие – молибден Mo, вольфрам W;
Цветные:
Благородные– платина Pt, золото Au, серебро Ag;
Электропроводные– медь Cu, алюминий Al.
Классификация металлов

Металлы как вид конструкционных материалов имеют следующие общие свойства:
Высокая прочность;
Высокие тепло- и электропроводность;
Высокая температурная устойчивость;
Способность к различным видам обработки;
Красивый внешний вид, хорошая отражательная способность;
Имеют кристаллическое строение в твёрдом состоянии;
Не сжимаются при наложении любой нагрузки.
Основные свойства металлов
Все эти свойства определяются атомно-кристаллическим строением металла

Атомно-кристаллическое строение металлов
Все металлы за исключением ртути при обычных условиях находятся в твердом состоянии, т.е. атомы металлов взаимодействуют между собой, образуя твердую фазу.
Возникает вопрос, что это за взаимодействие?
Если вспомнить атомное строение любого металла, то мы можем отметить, что у всех металлов на последней электронной орбитали находятся от 1 до 3 электронов.
И это сразу определяет склонность металлов к коррозии, главному недостатку большинства технических металлов.

+
+
На большом расстоянии друг от друга атомы металла не взаимодействуют друг с другом
Атомное строение металлов

+
Взаимодействие двух атомов металла при их сближении
+
_
При сближении атомов металлов начинается взаимодействие: положительно заряженные ядра атомов притягивают электронную оболочку другого атома и между двумя ядрами образуется более плотное отрицательно заряженное электронное облако. Атомы начинают притягиваться.

Однако, при слишком близком сближении атомов металла начинают резко нарастать сила отталкивания между положительно заряженными ядрами атомов.
Т.е на сближающиеся атомы металла начинают одновременно действовать две силы: притяжения и отталкивания.
Если построить зависимость изменения сил притяжения и отталкивания от расстояния между атомами, то она графически будет выглядеть следующим образом:
Взаимодействие двух атомов металла при их сближении

r
1
2
3
r0
F
1 - изменение сил притяжения между атомами металла;
2 - изменение сил отталкивания между атомами металла;
3 - результирующая сила.
На расстоянии r0 силы притяжения и отталкивания равны .
Изменение сил притяжения и отталкивания при изменении расстояния между атомами

Решетка в твердом кристаллическом металле
Таким образом в твердом металле все атомы располагаются на наиболее удобном расстоянии r0.
Если центры всех атомов в кристаллическом металле соединить линиями, то мы получим решетку металла.
Минимальный объем металла, перемещением которого в пространстве может быть получена вся решетка называется элементарной ячейкой.

Элементарные ячейки.
ОЦК – объёмноцентрированная кубическая
nат=2
К=8
Кзап=68%
ГЦК – гранецентрированная кубическая
nат=4 К=12
Кзап=74%
ГП У– гексагональная плотноупакованная
nат=6
К=12
Кзап=74%
Существует три основных типа элементарных ячеек в металлах:

Решетка ГПУ
Еще одно изображение
Гексагональной плотно-
упакованной решетки
(ГПУ)

Характеристики элементарных ячеек
Расстояние между центрами атомов (зависит от диаметра атомов);
ОЦК, и ГЦК - один размер, а;
ГПУ – два размера, а и с
2. Количество атомов, принадлежащих данной ячейке, nат:
ОЦК – 2 атома
ГЦК – 4 атома
ГПУ – 6 атомов

Характеристики элементарных ячеек
5. Количество и размер пор.
В любой решетке есть два вида пор: тетраэдрические (окружены 4 атомами) октаэдрические (окружены 6 атомами)
Самые большие октаэдрические поры в ячейке ГЦК
4. Коэффициент заполнения, Кзап = Vат/ Vяч
ОЦК – 0,68 (68%)
ГЦК – 0,74 (74%)
ГПУ – 0,74 (74%)
3. Координационное число ячейки, К – количество атомов ближайшего окружения:
ОЦК – 8 атомов
ГЦК – 12 атомов
ГПУ – 12 атомов

Элементарные ячейки.
Типы пор в элементарных ячейках:
Октаэдрические:
Тетраэдрические:
ГЦК
ОЦК
ГПУ
ГЦК
ОЦК
ГПУ

Металлическая связь и свойства металлов
Связь между атомами металла в кристаллографической решетке называется металлической связью.
Металлическая связь в кристалле твердого металла имеет электростатическую природу и определяет важнейшие свойства металла:
Высокую прочность;
Не сжимаемость;
Высокую электро- и теплопроводность;
Легкую деформацию, способность к обработке давлением;
Способность свариваться и паяться;
Способность образовывать сплавы.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решётку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах – аллотропия (полиморфизм). Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом α, при более высокой β, затем γ и δ.
Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.
Типы решеток в металлах

Металлы с полиморфным превращением.

Плоскости в монокристалле
Решетка идеального металла может быть разрезана по разным плоскостям.
В этом случае сразу можно увидеть, что каждая плоскость имеет свою плотность упаковки атомов.
Следовательно каждая плоскость будет иметь характерные именно для нее свойства, например, твердость.

Плоскости в идеальном металле
Поэтому возникает задача указать по какой плоскости разрезан монокристалл, т.е. присвоить плоскости имя.
На рисунке представлен ряд плоскостей в одной простой кубической решетке и их обозначение. Плоскость (010) расположена параллельно осям X и Z элементарной ячейки. Плоскость (110) пересекает оси X, Y на одинаковом расстоянии и параллельна оси Z. Плоскость (111) пересекает все оси на одинаковом расстоянии от начала координат.

В кристаллографии положение атомных плоскостей в кристалле определяется отрезками, отсекаемыми этими плоскостями при их пересечении с осями координат X, Y, Z. Эти отрезки обозначаются целыми цифрами и заключаются в круглые скобки. Эти целые числа называются индексами плоскости.
Обозначение плоскостей в кристалле

Если в кристалле металла рассмотреть разные направления, то увидим, что плотность расположения в них атомов неодинакова, а, сл-но, и свойства (например прочность) в разных направлениях будут не одинаковы. Поэтому возникает необходимость в обозначении направления. Направление обозначается тремя целыми числами, являющимися координатами первого узла ячейки, пересекаемого этим направлением.
Направления в кристалле и их обозначение