Атомно – кристаллическая структура металлов

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Свойства материалов

Металловедение – наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов (тепловых, химических, механических и т.д.)

Каждый отдельный вид материи, обладающий определенным составом и свойствами, называется веществом. Признаки, по которым различные вещества отличаются друг от друга, называются свойствами.

Вещества различаются по агрегатному состоянию (твердое, жидкое, газообразное), плотности, температуре плавления и кипения, цвету и т.д. Вещества могут быть простыми (железо, медь, кислород, углерод) и сложными (вода, углекислый газ, металлические сплавы).

Вещества делятся на чистые и смеси. Чистые вещества могут быть как простые, так и сложные и состоят из однородных молекул, атомов и ионов. Смеси состоят из отдельных молекул различных элементов, например воздух состоит из смеси кислорода, азота, углекислого газа, аргона и других элементов.

К конструкционным материалам относятся природные материалы (дерево, базальт), металлы и их сплавы, пластические массы.

Под физическими свойствами различных материалов, относящихся к конструкционным, понимаются следующие:

- плотность, по плотности металлы и их сплавы делятся на легкие (менее 5000 кг/м³) и тяжелые (более 5000 кг/м³);

- пористость – степень заполнения объема порами (характерно для полимерных и природных материалов;

- теплопроводность – способность передавать через себя тепловой поток, характеризуется количеством теплоты, проходящей за 1 час через слой толщиной 1м., площадью 1м². (свободные электроны). Теплопроводность имеет большое значение при выборе материалов для теплообменных аппаратов, теплоограждающих конструкций, изоляции труб.

- электропроводность – способность проводить электрический ток (за счет свободных электронов). При нагревании электропроводность уменьшается. (провода, реостаты, эл.спирали).

- теплоемкость;

- водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду;

- влажность – отношение по массе влаги, содержащейся в образце к его массе в сухом состоянии;

- водопроницаемость – способность материала пропускать через себя воду (характеризуется количеством прошедшей воды за час через площадь пр и постоянном давлении).

- паро и газопроницаемость;

- морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное число циклов замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и без значительного понижения прочности;

- тепловое расширение – способность материала изменять свои размеры в процессе нагревания:

- температура плавления – температура, при которой материал переходит в жидкое состояние при нормальном давлении; применяют две шкалы термодинамическую (К) и международную практическую (^оС).

Под механическими свойствами понимаются:

- прочность – способность тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок;

- пластичность – способность материала получать остаточные изменения формы и размера без разрушения;

- твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого;

- ударная вязкость – характеристика материала, по которой оценивают его сопротивление хрупкому разрушению;

- усталость – изменение механических и физических свойств материала под действием циклических и знакопеременных нагрузок (трещины);

- ползучесть – способность материала к медленной и непрерывной пластической деформации при действии постоянной нагрузки;

Химические свойства материалов характеризуются способностью отдавать электроны при их взаимодействии с другими химическими элементами. У металлов и их сплавов это при водит к тому, что они окисляются. Наиболее химически активные металлы способны окисляться на воздухе при нормальных условиях. К химическим свойствам металлов и их сплавов относятся:

- жаростойкость – способность металлов и сплавов сопротивляться окислению при высоких температурах;

- кислотостойкость или коррозионная стойкость – способность металлов и сплавов противостоять действию агрессивных кислотных и щелочных сред.

Технологические, эксплуатационные свойства металлов и их сплавов.

- литейные свойства (жидкотекучесть, усадка);

- деформируемость (листовая и объемная штамповка);

- свариваемость (неразъемные равнопрочные соединения);

- хладостойкость – способность сохранять пластические свойства при низких температурах;

- жаропрочность – способность сохранять механические свойства при высоких температурах;

- антифрикционность - способность прирабатываться материалов друг к другу при их взаимном смещении.

Атомно – кристаллическая структура металлов

Все металлы и их сплавы тела кристаллические, атомы располагаются закономерно с образованием кристаллической решетки. Расположение атомов определяется силой взаимодействия между собой (силы притяжения и отталкивания) – металлическая связь. Атомы располагаются так, чтобы энергия их взаимодействия была минимальной.

Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами. В сплаве может быть два и более компонентов.

Под атомно–кристаллической структурой металлов понимают взаимное положение атомов в кристалле. Атомы (ионы) расположены в кристалле в определенном порядке, повторяющемся в трех измерениях. Атомы металлов легко отдают внешние (валентные) электроны, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Электроны, освободившиеся от атомов, непрерывно хаотически перемещаются по всему объему металла, иногда, сталкиваясь с положительно заряженными ионами, снова соединяются с ними.

Решетки представляют собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой расположены атомы (ионы). Расстояния между центрами соседних атомов измеряют в ангстремах (1Å = 10 ^-10 м. = 10 ^-7 мм.). Рентгеноструктурный анализ позволяет измерять размеры решеток в ангстремах с точностью до 4 – 5 знака после запятой.

Подавляющееся число металлов образуют следующие виды кристаллических решеток.

1. Объемно-центрированная кубическая - ОЦК. (9 атомов). Cr, Mo, Be, Fe_α .

2. Гранецентрированная кубическая – ГЦК. (14 атомов). Ni, Cu, Au, Fe_γ .

3. Гексагональная плотноупакованная – ГПУ. (17 атомов).

а, с – параметры решеток, например Cr – а = 2,878Å, Al – а = 4,041 Å.

Кристаллы обладают анизотропией – прочность кристаллов в различных направлениях для несимметричных решеток не одинакова. Для свойств металлов и их сплавов важно с каким числом соседних атомов контактирует каждый атом. Число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного атома, называется координационным числом.

ОЦК – К8, ГЦК – К12, ГПУ – Г12.

При превышении температуры плавления сплав, проходя через твердо-жидкое состояние, превращается в расплав.