Реферат на тему «Строение металлических материалов. Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия свойств. Строение реальных кристаллов (дефекты и их влияние на свойства металлов и сплавов)»

Содержание

Введение

1. Строение металлических материалов

2. Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия свойств

3. Строение реальных кристаллов (дефекты и их влияние на свойства металлов и сплавов)

Заключение

Список литературы

Введение 

В огромном ряду материалов с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого — в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Цель работы – рассмотреть более подробно металлы и сплавы.

Задачи работы:

— рассмотреть строение металлических материалов;

— изучить основные типы кристаллических решеток;

— охарактеризовать анизотропию свойств;

— рассмотреть строение реальных кристаллов (дефекты и их влияние на свойства металлов и сплавов).

Строение металлических материалов 

Металлы и их сплавы используют для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т.д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики, клеев, металлы служат основным конструкционным материалом. [5]

Металлические материалы подразделяют на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными.

Свойства металлов разнообразны, но вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

— высокая пластичность;

— высокая теплопроводность;

— высокая электропроводность;

-положительный температурный коэффициент температурного сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры, и сверхпроводимость многих металлов при температурах, близких к абсолютному нулю;

— хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);

— кристаллическое строение в твердом состоянии.

Перечисленные свойства характерны не только для чистых металлов, но и для металлических сплавов. [8]

Отмеченные свойства обусловлены электронным строением металлических материалов. В металлах электроны находящиеся на внешних энергетических уровнях, слабо связаны с ядром атома. Они находятся в относительно свободном состоянии, образуя электронный газ. Такие электроны являются общими для всех атомов. Они свободно перемещаются между положительно заряженными ионами. Электронный газ компенсирует силы взаимного отталкивания положительных ионов, обеспечивая их связь в твердом теле. Такой тип связи не является направленным и характеризуется высокой энергией. [1]

Металлический тип связи позволяет объяснить основные свойства металлов. Высокая электропроводность объясняется наличием свободных электронов, упорядоченное движение которых во внешнем электрическом поле обеспечивает протекание электрического тока. Высокая теплопроводность обусловлена большой подвижностью свободных электронов. Повышенная способность к пластической деформации объясняется отсутствием направленности металлической связи.

Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия свойств 

Кристаллическое состояние характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве, что обеспечивает минимальную энергию взаимодействия атомов. Кристаллической решетке, как доказал русский кристаллограф Е.С. Федоров (1853–1919 гг.), присущи 230 комбинаций элементов симметрии, или 230 различных пространственных групп. Всякая пространственная решетка может быть составлена повторением в трех различных направлениях одного и того же структурного элемента – элементарной ячейки. [14]

Французский кристаллограф О. Бравэ (1811–1863 гг.) показал, что по виду переносной симметрии существует всего 14 типов пространственных решеток – решеток Бравэ, которые в порядке возрастания симметрии распределяются по семи кристаллографическим системам, называемых сингониями: триклинной, моноклинной, ромбической, тетрагональной, ромбоэдрической, гексагональной и кубической.

Стремление атомов металла расположиться возможно ближе друг к другу, плотнее[2] приводит к тому, что число встречающихся комбинаций взаимного расположения атомов металла в кристаллах сравнительно невелико. Для подавляющего большинства металлов применяемых в технике наиболее характерны три типа высоко симметричных кристаллических решеток – рис. 1:

а) объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку имеют α и δ-Fe, Cr, Mo, Nb, β-Ti, V, W и т. д.;

б) гранецентрированную кубическую (ГЦК)решетку имеют γ-Fe, Al, Cu, Ni, Pb, Ag, Au, Pt и т. д.;

в) гексагональную плотноупакованную (ГПУ) решетку имеют Be, Cd, Mg, α-Ti, Zn и т. д.

                             а                           б                          в

Рис. 1. Типы кристаллических решеток: а – ОЦК, б – ГЦК, в – ГПУ

Плотность кристаллической решетки – объема, занятого ато­мами, характеризуется координационным числом, под которым понимают число атомов, находящихся на наи­меньшем расстоянии от данного атома. Чем выше координацион­ное число, тем больше плотность упаковки атомов.

Легко понять, что на рис. 1а центральный атом окружен 8-ю ближайшими соседями, следовательно, координационное число для ОЦК решетки равно 8. Расчет показывает, что коэффициент компактности ячейки, определяемый как отношение объема, занятого атомами (представляемыми в виде соприкасающихся шаров), к объему ячейки составляет для ОЦК решет­ки 68 %. [2]

Аналогичным образом можно показать, что для более плотно упакованных ГЦК и ГПУ решеток (рис. 1б,в) координацион­ное число одинаково и равно 12, а их коэффициент компактности составляет 74 %.

Кристаллографической анизотропией называется неодинаковость физических, химических, механических свойств в разных направлениях монокристалла, что в первую очередь связано с различной плотностью атомов на единицу длины по разным направлениям кристаллической решетки.

Строение реальных кристаллов (дефекты и их влияние на свойства металлов и сплавов) 

Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается. В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. [9]

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты (рис. 2) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диамет­ров.

Рис. 2. Точечные дефекты

К точечным дефектам относятся:

а) свободные места в узлах кристал­лической решетки

б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки — дислоци­рованные атомы;

в) атомы других элементов, находя­щиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки — при­месные атомы.
Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление.

Линейные дефекты

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дисло­каций может достигать большой величины. [8]

Поверхностные дефекты.

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки.

Дендрит [dendrite] — выросший из расплава кристаллит с древовидным строением. Дендритный рост кристаллов реализуется в большинстве случаев, например, при литье слитков и отливок. При дендритной кристаллизации зародыши развиваются с разными скоростями в разных кристаллографических направлениях. Например, максимальный рост кристаллита металлов и сплавов с кубической решеткой происходит в трех взаимно перпендикулярных направлениях, соответствующих октаэдрическим осям. В результате образуются ветви — оси дендрита 1-го порядка, расходящиеся от центра кристаллизации под определенными углами. При дальнейшем развитии кристаллизации от осей 1- го порядка под определенным углом к ним начинают расти поперечные ветви — оси 2-го порядка, а от них — оси 3-го порядка и т.д В металлическом расплаве формируется остов древовидной формы будущего кристаллита

Испытания на растяжение

Испытания на статическое растяжение являются основным и наиболее распространенным методом контроля механических свойств металлов. В процессе этих испытаний определяют следующие механические характеристики металлов: предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, временное сопротивление или предел прочности, истинное сопротивление разрыву, относительное удлинение после разрыва, относительное сужение после разрыва. [10]

Различают два типа испытательных машин:

1. С механическим приводом (механические), в которых деформация исполняется втягиванием или выталкиванием винта с помощью червячной передачи;
2. С гидравлическим приводом (гидравлические), в которых деформация образца реализуется перемещением штока поршня гидравлического цилиндра. (рис. 5).

Рис. 5. Диаграмма растяжения стали

Испытания на растяжение позволяют также оценить пластические свойства материала, которые характеризуются обычно относительным удлинением после разрыва d.

Аналогичные характеристики получают при испытании на сжатие, изгиб и кручение.

При этих испытаниях определяют предел длительной прочности и предел ползучести. Пределом длительной прочности называют максимальное (условное) напряжение, которое может выдержать образец без разрушения при данной температуре в течение неограниченно долгого времени. Предел ползучести при определенной температуре — максимальное (условное) напряжение, при котором скорость ползучести за определенное время испытания (25 — 35 ч) не превосходит 10^–4 %/ч. При этом относительное остаточное удлинение не должно превышать 0,2 % после 45 ч испытания под нагрузкой. Пределы прочности и ползучести определяют для сталей в интервале температур 350 — 700 °С. [12]

Ударная вязкость

Вязкость — определяет количество энергии, поглощаемой при пластической деформации, она измеряется с использованием единиц энергии

При статических испытаниях скорость приложения нагрузки составляет 10^-5 – 10^-2 м/с. Их результаты не отражают сопротивляемость материала к нагрузкам, действующим с гораздо большей скоростью. Поэтому устойчивость металла к разрушению при ударных нагрузках определяют в динамических испытаниях при скоростях деформирования 3 – 5 м/с.

Основная характеристика, получаемая при ударных испытаниях – ударная вязкость (единица измерения – Дж/см²). Она определяет энергию, необходимую для разрушения образца. Её измеряют, подвергая удару образец с предварительно нанесенным надрезом (ГОСТ9454-78).

Усталостная прочность

Трещины в металлах зарождаются и развиваются не только при статических нагрузках, но и под действием циклических напряжений. Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях (это её отличительный признак) и с каждым циклом медленно развивается вглубь. Разрушение происходит, когда из-за уменьшения сечения действующие напряжения превысят разрушающие. [5]

Накопление повреждений означает, что чем больше циклов нагружения, тем меньше должна быть величина нагрузки, чтобы металл «работал», не разрушаясь. Процесс постепенного накопления повреждений в металле называется усталостью.

Вторая по важности характеристика выносливости — усталостная долговечность. Она определяет число циклов, которое металл может выдержать при заданном напряжении. Поскольку усталостные трещины зарождаются на поверхности, то особое значение для повышения долговечности при циклических нагрузках имеет состояние поверхности. Полировка, поверхностное упрочнение, отсутствие коррозии увеличивают величину предела выносливости.

Заключение 

Металлы — простые вещества, обладающие свободными, не связанными с определенными атомами электронами, которые способны перемещаться по всему объему тела. Эта особенность состояния металлического вещества определяет собой свойства металлов. [6]

Металлические сплавы по свойствам имеют много общего с металлами, поэтому их нередко относят к металлам.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.

Таким образом, металлы состоят из упорядоченно расположенных в пространстве положительно заряженных ионов, перемещающихся среди них электронов и небольшого количества нейтральных атомов. Металлами являются алюминий, железо, медь, никель, хром и т.д.

Сплавы представляют собой системы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов. Например, сталь и чугун — сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой; бронза — сплав меди с оловом или другими элементами; латунь — сплав меди с цинком и другими элементами.

Список литературы 

1. Арзамасов Б.Н., Черепахин А.А. Материаловедение : учебник для вузов (бакалавриат). М. : Академия, 2013.
2. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы : учебник для вузов. Новосибирск : Изд. НГТУ, 2002.
3. Богодухов С.И., Козин Е.С. Материаловедение : учебник для вузов. Старый Оскол :ТНТ, 2012.
4. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов : учебникдля вузов. 4-е изд. М. : Изд-во МИСиС, 2005.
5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение : учебник для вузов. 3-е изд. стереотип. М. : ЭКОЛИТ, 2011.
6. Материаловедение : учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макаров, Г.Г. Мухин [и др.] под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. 8-е изд. стереотип. М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
7. Материаловедение : учебное пособие / под общ. ред. Л.Г. Петровой, Г.В. Гладовой, О.В. Чудиной. М. : МАДИ (ГТУ), 2008.
8. Материаловедение :учебное пособие для вузов/Л.В. Тарасенко, С.А. Пахомова, М.В. Унчикова, С.А. Герасимов ; под ред. Л.В. Тарасенко. М. : НИЦ Инфра-М, 2012.
9. Новые материалы / научн. ред. Ю.С. Карабасов. М. : Изд-во МИСиС, 2000.
10. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М., 2013.
11. Пустовойт В.П. Материаловедение. Ч. 1 : Металловедение / В.Н. Пусто- войт, Г.И. Бровер, А.В. Бровер : учеб, пособие. Ростов-на-Дону : Издат. центр ДГТУ, 2009.
12. Ржевская С.В. Материаловедение : учебник для вузов. М.: Логос, 2006.
13. Сильман Г.И. Материаловедение : учебникдля вузов. М. : Академия, 2008.
14. Сироткин О.С. Основы материаловедения : учебное пособие. М. : КНО- РУС, 2014. (Бакалавриат).
15. Солнцев Ю.П. Хладостойкие стали и сплавы : учебник для вузов СПб. : Химиздат, 2005.
16. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение : учебникдля вузов 4-е изд. СПб. : Химиздат, 2007.
17. Сорокин Г.М. Трибология сталей и сплавов : учебникдля вузов. М. : Недра, 2000.
18. Ульянин Е.А. Коррозионностойкие стали и сплавы : справочник. 2-е изд. М.: Металлургия, 1991.