книги / Материаловедение. Технология металлов и сварки

УДК 669.017+621.71.9](078) С38

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор М.Н. Игнатов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук, главный специалист В.М. Бушуев (Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов)

Синани, И.Л.

С38 Материаловедение. Технология металлов и сварки : учеб. пособие / И.Л. Синани, Е.М. Федосеева, Е.С. Саломатова. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2018. – 75 с.

ISBN 978-5-398-02083-0

Изложены вопросы строения металлов и сплавов, неметаллических материалов, основы деформации, термообработки и химикотермической обработки, а также технологии металлов, включающей в себя вопросы литейного производства, обработки металлов давлением и классификация видов образования сварных соединений.

Предназначено для студентов горно-нефтянного факультета очного и заочного форм обучения, в том числе для иностранных студентов.

УДК 669.017+621.71.9](078)

4

Глава 1 АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами материалов, а также методы обработки металлических и неметаллических материалов, называется материаловедением.

1.1. Строение чистых металлов

Металлы – простые вещества, обладающие высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, металлическим блеском.

Учение о свойствах и структуре металлов и их сплавов составляет основу металловедения – науки о металлах.

Под структурой понимается порядок расположения атомов

вметалле, а также их группировка в более крупные образования – зерна или кристаллиты.

Любой металл можно представить в виде большого количества атомов, в которых положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами. Электроны легко перемещаются с орбиты одного атома на орбиту другого и своей подвижностью напоминают перемещение частиц в газах, поэтому получим название электронного газа. Этой подвижностью и объясняется высокая электро- и теплопроводность и другие металлические свойства.

1.2.Характеристика аморфных и кристаллических тел

Взависимости от скорости охлаждения твердые тела делятся на аморфные и кристаллические.

Ваморфных телах атомы располагаются в определенной последовательности, не образуя кристаллов. При этом свойства у них во всех направлениях одинаковы. О таких телах говорят, что они

изотропны.

Их получают при скоростях охлаждения металлов 106–107 °С/с

ввиде тонких лент и мелких частиц. Они обладают высокой твердо-

5

стью, хорошей коррозионной стойкостью и другими полезными свойствами.

При нагревании аморфное тело может перейти в кристаллическое. В кристаллических телах атомы имеют определенное геометрическое расположение. По разным направлениям свойства их различны. Эта особенность кристаллов, т.е. зависимость свойств от направления, называется анизотропией, а тела – анизотропными. Анизотропию можно устранить, если всем кристаллам с помощью соответствующей обработки придать единую ориентацию. Единая ориентация кристаллов называется текстурой, а металл, в котором создана текстура, – текстурированным.

1.3. Типы кристаллических решеток

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой. Кристаллические решетки разных металлов различают по форме и размерам кристаллических ячеек. Типы кристаллических решеток приведены на рис. 1.1.

б – объемно-центрированная; в – гранецентрированная; г – гексагональная плотноупакованная; д – тетрагональная

Простейшим типом кристаллической ячейки (ПК) является кубическая решетка. В такой простой решетке содержится всего 8 атомов, которые расположены в узлах куба (см. рис. 1.1, а). Ее относят к решетке типа NaCl.

6

Объемно-центрированнная кубическая решетка (ОЦК) со-

держит 9 атомов в вершинах куба и 1 атом в центре куба (см. рис. 1.1, б). Такую решетку имеют Cr, W, Mb, V и др.

Следующий тип – гранецентрированная кубическая решетка

(см. рис. 1.1, в). Она содержит 14 атомов; 4 в вершинах куба и 6 в центре каждой грани. Такую решетку имеют Ag, Au, Pb, Pt, Ca, Be и др.

Гексагональная плотноупакованная решетка представляет со-

бой шестигранную призму, содержащую 17 атомов, которые расположены в вершинах этой призмы, 2 атома в центре оснований и 3 атома в средней плоскости призмы (см. рис. 1.1, г). Такую ре-

шетку имеют Mg, Zn, Re, Be, Hf.

И наконец, тетрагональная решетка (Sn, In). Это прямо-

угольный параллелепипед, атомы в котором находятся в вершинах параллелепипеда.

Размеры кристаллической ячейки характеризуются расстоянием между центрами соседних атомов, расположенных в вершинах ячейки, и называются параметром или периодом, иногда постоянной кристаллической решетки.

Все кубические решетки характеризуются одним параметром – длиной ребра куба, который обозначается буквой а, ГПУ и Т решетки характеризуются двумя параметрами: постоянной много-

угольника а и высотой призмы с или отношением а к с. Параметр решетки находится в пределах от 2 до 6 Å (Å = 10–8 см) и является

важной характеристикой, так как его изменение приводит к существенному изменению свойств материала.

1.4. Понятие полиморфизма

Способность металлов в твердом состоянии изменять тип кристаллической решетки в зависимости от внешних условий (давление и температура) называется полиморфизмом или аллотропией. Эти кристаллические структуры называются аллотропическими формами или модификациями. Превращение одной аллотропической формы в другую происходит при постоянной температуре, которая на-

7

зывается температурой полиморфного превращения или критической температурой. Такое превращение сопровождается тепловым эффектом, так как затрачивается энергия на перестройку решетки.

Разные аллотропические формы одного и того же элемента принято обозначать греческими буквами α, β, γ и т.д.

Например:

Соα →450 °С→ Соβ или Tiα →882 °С →Tiβ

ГПУ ГЦК ГПУ ОЦК

Примером аллотропического превращения под действием давления является переход графита в алмаз. Полиморфизм имеет большое значение в практике. Использование этого явления может упрочнять и разупрочнять сплавы при термической обработке.

1.5.Дефекты в кристаллических решетках

Вкристаллических решетках реальных металлов по сравнению с идеальными (монокристаллами) имеются различные дефекты (несовершенства), которые оказывают большое влияние на свойства материалов. Все дефекты – нарушение укладки атомов в металлах, которые ведут к ее искажению и, следовательно, к изменению свойств.

Дефекты кристаллического строения по геометрическим признакам делятся на точечные, линейные и поверхностные.

К точечным дефектам относятся вакансии и дислоцированные атомы.

Вакансии – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки или «дырки» по терминологии Френкеля (рис. 1.2, а).

Число вакансий увеличивается с увеличением температуры при ОМД, Т/О и т.д. Объединение вакансий может привести к образованию пор.

Дислоцированные атомы – вышедшие из узла кристаллической решетки и занявшие места в межузлие (рис. 1.2, б), при этом на месте переместившегося атома образуется вакансия. Там же показан

примесный атом (рис. 1.2, в).

8

Рис. 1.2. Дефекты кристаллического строения: а – вакансия; б – дислоцированный атом; в – примесный атом; г – краевая дислокация; д – винтовая дислокация

Линейные дефекты называются дислокациями.

Существует два вида дислокаций: краевые и винтовые. Краевая дислокация – местное искажение кристаллической

решетки (рис. 1.2, г).

Винтовая дислокация образуется по плоскости кристалла при его неполном сдвиге (рис. 1.2, д). Для дислокаций характерна высокая подвижность (мобильность). Вокруг дислокаций решетка искажена (упруго).

К поверхностным дефектам относятся поверхности раздела между отдельными кристаллами. К ним прежде всего относятся границы зерен. Эти границы мешают передвижению дислокаций. По границам зерен концентрируются примеси. Это самое слабое место в материале.

Дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов.

9

Контрольные вопросы

1.Дайте определение простым металлам.

2.Чем объясняются высокие тепло- и электропроводность ме-

таллов?

3.Какие тела называются аморфными, а какие – кристалличе-

скими?

4.Что такое элементарная кристаллическая ячейка?

5.Изобразите кубические решетки.

6.Изобразите гексагональную плотноупакованную и тетрагональную решетки.

7.Дайте определение полиморфизма.

8.Приведите примеры аллотропических превращений.

9.Назовите точечные дефекты.

10.Как называются линейные дефекты?

11.Какие существуют виды дислокаций?

12.Дайте характеристику поверхностным дефектам.

10