книги / Основы металловедения и термообработки

УДК 621.791 Б48

Рецензенты:

канд. техн. наук, проф. С.А. Коковякша (Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук, проф. Л.В. Спивак (Пермский государственный университет)

Береснев, Г.А.

Б48 Основы металловедения и термообработки: учеб, пособие / Г.А. Береснев, И.Л. Синани, И.Ю. Летягин. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. - 211 с.

ISBN 978-5-398-00191-4

Изложен лекционный материал одного из разделов курса «Мате­ риаловедение и технология конструкционных материалов», читаемого студентам машиностроительных специальностей университета. Даны основные представления о строении металлов, составе сплавов, форми­ ровании их структуры при термообработке, а также их свойствах и при­ менении.

Предназначено для студентов специальностей машиностроитель­ ного профиля.

ВВЕДЕНИЕ

В машиностроении используют тысячи различных мате­ риалов. Не прекращается разработка новых материалов, слу­ жебные и технологические характеристики которых должны удовлетворять все возрастающим требованиям условий их ра­ боты в изделиях. Часто именно использование новых материа­ лов делает возможным новый этап развития целых отраслей техники.

Свойства материалов и, следовательно, их поведение в ус­ ловиях эксплуатации во многом определяются их строением. Связь состава, строения и свойства материала изучает наука

материаловедение, включающая металловедение.

Теоретической основой материаловедения являются физи­ ка твердого тела и соответствующие разделы химии. Развитие материаловедения невозможно без экспериментальных иссле­ дований структуры и свойств материалов. Оно связано с со­ вершенствованием традиционных и применением новых мето­ дов исследований. Это методы микроскопии (оптической, электронной), рентгено-, электроно-, нейтронографии, иссле­ дования структурно-чувствительных физических свойств ма­ териалов при механическом, тепловом и других' способах воз­ действия и т.п.

Большой вклад в становление и развитие материаловедения внесли русские ученые. П.П. Аносов (1799-1851) первый ис­ пользовал микроскоп в исследованиях стали и установил связь

между ее строением и свойствами. Д.К. Чернов (1839-1921) ука­ зал на явление внутренней перестройки структуры стали при определенных температурах нагрева (1868 г., критические точки Чернова) и изложил основы теории кристаллизации (1876 г.), что дало начало научному материаловедению. И.С. Курнаков (1860-1941) применил в исследованиях металлов и сплавов ме­ тоды физико-химического анализа, дал классификацию метал­ лических сплавов, показав связь их фазового состава и физико­ механических свойств. В теорию и практику термообработки стали большой вклад внесли С.С. Штейнберг и Н.А. Минкевич. Г.В. Курдюмов применил методы рентгеноструктурного анализа в исследованиях термоупрочненного состояния стали. Академи­ ки А.А. Байков, А.А. Бочвар, В.Д. Садовский, С.Т. Кишкин и многие другие создали отечественную школу металловедения.

Следует также назвать имена А.М. Бутлерова - создателя теории строения органических соединений и полимеризации, С.В. Лебедева - создателя промышленного производства синте­ тического каучука, В.А. Каргина, К.А. Александрова (теория высокомолекулярных соединений).

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Применительно к потребностям техники материаловедение изучает, в основном, твердые вещества.

Из свойств твердых материалов первыми были востребова­ ны механические свойства, а именно - прочность, как способ­ ность выдерживать нагрузку без деформации и разрушения. По мере развития техники требования к механическим свойст­ вам материалов возрастали и конкретизировались применитель­ но к условиям работы изготовленных из них деталей. Учитывая условия работы материала в деталях машин, различают устало­ стную прочность, жаропрочность, конструкционную прочность, удельную прочность, коррозионную стойкость и т.п. Со време­ нем и другие свойства твердых тел получили эффективное при­ менение в технике (тепловые, электротехнические, магнитные). Различие свойств материалов и необходимость осознанного вы­ бора материала в каждом конкретном случае его применения стимулировали изучение строения материалов, объясняющего природу их свойств.

Первые сведения о связи строения и свойств материала да­ ют исследования макроструктуры «невооруженным глазом» или с малым увеличением (до хЗО). Изучение макрошлифов

имакроизломов дает много полезной информации о поведении материала в процессе его обработки от полуфабриката до детали

ио его работе в изделии до момента разрушения. Микроструктуру материала (размерность отдельных «де­

талей» строения 10'5...10~' мм) исследуют с помощью оптиче­

ских и электронных микроскопов.

Тонкую структуру (размерность элементов структуры

< 10~5 мм) изучают с помощью ионных и электронных микро­ скопов, рентгеноструюурного анализа, электроно- и нейтроно­ графии. Тонкая структура материала описывает взаимное рас­ положение атомов и молекул, установившееся как следствие равновесия сил межатомного взаимодействия. Структурным элементом вещества может быть совокупность определенного количества атомов или ионов, находящихся в какой-то степени упорядочения.

Структурным элементом органических соединений являет­ ся молекула. Органические соединения могут быть веществами низкомолекулярными (в молекуле до 100 атомов). Это, напри­ мер, получаемые из нефти масла. Полимеры же являются высо­ комолекулярными веществами (молекулы состоят из сотен ты­ сяч атомов), они являются основой пластмасс, резин.

Природа межатомных сил всех веществ едина - это электро­ статическое взаимодействие заряженных частиц. Однако, по­ скольку атомы различных веществ различаются зарядом и массой ядер, количеством и энергией электронов, возможны различные типы межатомных связей в твердом теле.

Твердые вещества по строению можно разделить на кри­ сталлические и аморфные. Их различие проявляется уже при переходе из жидкого состояния в твердое. Первые при охлажде­ нии жидкого состояния кристаллизуются при постоянной тем­ пературе (рис. 1, а), устанавливая упорядоченное расположение в пространстве элементарных частиц (атомов, ионов) - дальний порядок. При нагревании кристаллических материалов плавле­ ние происходит также при фиксируемой температуре. Переход аморфных материалов из жидкого состояния в твердое и обрат­ но происходит в широком интервале температур затвердевания и размягчения (рис. 1, б) с сохранением неупорядоченного (только ближний порядок) расположения атомов и молекул. Аморфное состояние менее стабильно, чем кристаллическое,

и в некоторых случаях при подводе энергии (нагрев, деформа­ ция) или со временем возможен частичный или полный переход материала в кристаллическое состояние (помутнение органиче­ ских стекол, кристаллизация капроновых нитей и др.).

Рис. 1. Типичные кривые охлаждения вещества:

а- при образовании кристаллов чистых металлов;

б- при сохранении аморфного состояния

Вкристалле атомы (ионы) сближаются до расстояния, обеспечивающего кристаллу наибольшую термодинамическую стабильность. Это расстояние определяется взаимодействием сил притяжения электронов и положительно заряженных ядер собственного атома и соседних атомов и сил отталкивания ядер атомов при их сближении (рис. 2). Сближение на расстояние d0

соответствует состоянию термодинамической устойчивости кристалла. Энергия межатомной связи Еа в этом состоянии ма­ териала минимальна, и она определяет его модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения, темпера­ туры плавления и испарения и др.

F i

F

Отталкивание

UQ

\ Результирующаясши

/^Притяжение

-F

Рис. 2. Изменение силы взаимодействия (а) и энергии связи (б) при сближении атомов в кристалле

Характер взаимодействия ядер атомов, составляющих «кар­ кас» кристалла, и электронов может быть представлен с помощью зонной теории (рис. 3). Согласно этой теории электроны твердого тела по уровню их энергий могут относиться к валентной зоне и зоне проводимости (не связаны с определенными атомами). Кроме этих зон существуют энергетические уровни, вероятность пребыва­ ния электронов на которых ничтожно мала (запрещенная зона).

п

Проводник Полупроводник

Рис. 3. Схема расположения основных энергетических зон электронов в различных материалах:

При значительной ширине запрещенной зоны (АЕ = 5 • 1(Г19 Дж) в кристалле устанавливается направленное межатомное взаимо­ действие (связи ионные, ковалентные, молекулярные). Электро­ проводность такого вещества ничтожна (это диэлектрики), так как свободных электронов очень мало. При малой величине АЕ вещество сохраняет направленность межатомных связей и имеет

полупроводниковые свойства.

Примером вещества с молекулярными связями могут быть кристаллы йода, в узлах ромбической решетки которого располагаются молекулы J2. Энергия молекулярной связи неве­ лика (силы Ван-дер-Ваальса), поэтому температуры плавления и испарения молекулярных кристаллов низки и многие из этих

веществ при нормальных температурах - газы.

Ковалентные кристаллы образуют атомы углерода, крем­ ния, германия, сурьмы, висмута и др. При взаимодействии друг с другом атомы этих элементов обобществляют свои валентные электроды с соседними атомами, достраивая валентную зону. Например, атом углерода, имея четыре валентных электрона, вступает в обменное взаимодействие с четырьмя соседними атомами и образует четыре направленные связи. Такое взаимо­ действие делает возможным построение атомов углерода

в сложные кристаллические решетки алмаза или графита. Кова­ лентными кристаллами со сложными кристаллическими решет­ ками являются карбид кремния, нитрид алюминия и др. Для ко­ валентных кристаллов характерна высокая твердость и низкая пластичность, а также высокая температура плавления.

Ионный тип межатомной связи устанавливается в кристал­ лах, состоящих из элементов разной валентности (FeO, NaCl и др.). При сближении атомов и перекрытии валентных энерге­ тических зон происходит перераспределение электронов с обра­ зованием электроположительных и электроотрицательных

ионов (например, Na+ и Cl ). Таким образом, в узлах ионного кристалла расположены ионы (рис. 4).

а

Рис. 4. Кристаллическая решетка FeO:

а - схема; б - пространственное изображение; О - О-2; • - Fe+2

Бели АЕ « 0, то направленность межатомных связей от­ сутствует, свободные электроны перемещаются между поло­ жительно заряженными ионами-атомами, удерживая их в оп­ ределенных положениях. Такая межатомная связь называется металлической и характерна для металлов.