Общие вопросы материаловедения

ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ «МАТЕИАЛОВЕДЕНИЕ»
Задачи материаловедения:
1. Установить взаимосвязь между составом, строением и свойствами материала
2. Сформировать знания о принципах управления структурой и свойствами материалов.
3. Изучить способы воздействия на материал для изменения его строения и свойств.

1.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Металлы характеризуются следующим набором свойств:
кристаллическая решётка;
характерный металлический блеск;
постоянная температура кристаллизации;
способность к упругой и пластичной деформации;
высокая теплопроводность и электропроводность;
3
Металлы – один из основных классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств:

Внутреннее строение металлов рассматривается с трех позиций:
Фильм. Полёт в глубь алюминиевой рамы (ВелоРамы)
АЛЮМИНИЙ
4

Атомная (кристаллическая структура металла):

Всего существует 14 видов решёток Браве, которыми может быть описана структура любого металла. Решётки Браве делятся на 7 сингоний и 4 типа:
Сингонии - классифицируют по параметрам элементарной ячейки:
Типы - классифицируют по местоположению атомов:

Объяснение параметров кристаллической решётки
на примере ОЦК решётки
Объяснение базиса решётки
Объяснение плотности упаковки
Объяснение координационного числа

Кристаллографические плоскости и направления

АНИЗОТРОПИЯ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ
Анизотропия – это различие свойств кристаллов (механических, физических, химических) в разных направлениях из-за неодинаковой плотности расположения атомов в разных плоскостях кристаллической решетки.
Все кристаллы анизотропны.
Степень анизотропности свойств может быть значительной.
В реальных металлах, состоящих из большого числа по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликристалл), свойства во всех направлениях получаются одинаковыми (усредненными). Эта кажущаяся независимость свойств от направления называется квазиизотропией (ложной изотропией).

1.2. СТРУКТУРНЫЕ НЕСОВЕРШЕНСТВА
КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Точечные дефекты размеры, которых малы во всех трех измерениях - вакансии, межузельные атомы, примеси замещения, примеси чужеродных атомов внедрения (рис. а)
Атомы колеблются возле точек равновесия - узлов решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. Большинство атомов в кристаллической решетке имеют одинаковую энергию и колеблются с одинаковой амплитудой. Отдельные атомы, обладающие большей энергией и поэтому могут передвигаться с одного места на другое (перемещение атомов 1,2,3 на рис. б).
Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность
(атом 1 на рис. б). Вышедший из узла решетки атом называется дислоцированным. Незаполненное место, где находился такой атом, называется вакансией (пунктирный атом на рис б).
Точечные дефекты

Линейные дефекты размеры, которых малы только в двух измерениях – дислокации (рис. а)
Дислокация (dislocation − смещение, сдвиг) − это дефекты кристаллического строения, которые представляют собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Их подразделяют на краевые (линейные) и винтовые дислокации.
Краевая дислокация − это локальное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» полуплоскости - экстраплоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости чертежа (рис. б).
Линейные дефекты

Поверхностные дефекты
Поверхностные дефекты размеры, которых малы только в одном измерении - дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен (рис. б).
Такие дефекты появляются т.к. реальное металл имеет поликристаллическое строение. Они возникают на границах зерен, так как в пограничном слое атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна (рис. а). По границам зерен скапливаются - дислокации, примеси и включения (рис. б).

1.3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Любое вещество может находиться в 3 агрегатных состояниях:
твердом
жидком
газообразном
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением.

Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов из газообразного или жидкого состояния. Форма, величина, направление роста кристаллов определяют многие свойства металлов.
Изменение свободной энергии Гиббса (G)
от температуры для металла
в жидком (Ж) и твердом (ТВ) состояниях
Из термодинамики известно, что фазовое превращение сопровождается понижением свободной энергии системы.
Т0 − равновесная температура кристаллизации
При Т0: Gтв=Gж
Кристаллизация может идти лишь при переохлаждении металла ниже То
Т1 − некоторая температура
При Т1: Gтв
Степень термического переохлаждения (ΔТ) − разность между равновесной и фактической температурами кристаллизации.
ΔТ = Т0 – Т1
t °C

1.4. ОБРАЗОВАНИЕ ЦЕНТОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И РОСТ ЗЕРЕН
Процесс кристаллизации состоит из двух стадий:
− зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации)
− роста кристаллов из этих центров

Критический размер зародыша − это минимальный размер зародыша, который способен при данной температуре стать устойчивым центром кристаллизации (рис. а).
Чем больше степень переохлаждения, тем больше скорость охлаждения,
тем меньше критический размер зародыша
Маленькая степень переохлаждения: число центров кристаллизации в жидкости мало, а скорость роста кристаллов большая. Затвердевание идёт интенсивно, но зёрна вырастают крупные (рис. б).
Большая степень переохлаждения: в жидкости возникает много зародышей, которые быстро растут. Затвердевание происходит интенсивно и образуются мелкие зерна (рис. в).
Чем больше будет центров кристаллизации,
тем больше кристаллов образуется в данном объеме и тем меньше будет размер каждого зерна
б) маленькая
степень переохлаждения
в) Большая
степень переохлаждения
Рис б
Рис в