Федеральное агентство по образованию

ПСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Шевельков В.В., Былеев А.С.

Материаловедение

Учебное пособие для студентов технических специальностей (черновой вариант)

Псков

Издательство ПсковГУ

2015

Федеральное агентство по образованию

ПСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Шевельков В.В., Былеев А.С.

Материаловедение

Учебное пособие для студентов технических специальностей (черновой вариант)

Псков

Издательство ПсковГУ

2015

УДК 621.002.3

ББК 30.3

Ш37

Рецензенты:

Шевельков В.В., Былеев А.С. Материаловедение. Учебное пособие для студентов технических специальностей. 2-е издание, переработанное и дополненное. – Псков: Изд. ПсковГУ, 2015. – 168 с.

Во втором издании (1-е изд. 2006 г.) рассмотрены кристаллическое строение металлов, процессы пластической деформации и рекристаллизации. Изложены современные методы испытания и критерии оценки конструктивной прочности материалов, определяющих их надежность и долговечность. Описаны фазы, образующиеся в сплавах, и диаграммы состояния.

Большое внимание уделено теории и технологии термической обработки и другим видам упрочнения. Рассмотрены все классы сталей, цветные металлы и неметаллические материалы.

© Шевельков В.В., Былеев А.С., 2015

© Псковский государственный политехнический институт, 2015

Введение

В настоящее время изучение дисциплины «Материаловедение» является обязательной составной частью образовательной подготовки отечественных бакалавров и магистров технических направлений. Она занимает важное место среди дисциплин цикла ОПД, обеспечивающих высокий профессиональный уровень будущих бакалавров и магистров.

Дисциплина расширяет конструкторско-технологические познания студентов, обучает возможности использования навыков на практике, применение в производстве.

Предлагаемое учебное пособие рекомендовано для студентов технических факультетов и содержит теоретический материал по материаловедению.

Материал опирается на новые достижения в данной области, используемые на практике и приведенные в научной и учебной литературе.

Курс материаловедение дает студентам сведения о строении металлов и неметаллических материалов, их физико-химических свойствах. Знакомит с современными черными и цветными металлами и неметаллическими материалами, способами их обработки, изменением свойств после термической обработки, применение материалов в различных отраслях машиностроения.

Глава 1 общее представление о строении металлов Кристаллические структуры металлов и сплавов

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кри­сталлические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, об­разуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядочен­ное пространственное размещение атомов называется кристалличе­ской решеткой.

В кристаллической решетке можно выделить элемент объема, об­разованный минимальным количеством атомов, многократное по­вторение которого в пространстве по трем непараллельным направ­лениям позволяет воспроизвести весь кристалл. Такой элементарный объем, характеризующий особенности строения данного типа кри­сталла, называется элементарной ячейкой. Для ее описания использу­ют шесть величин: три ребра ячейки а, b, c и три угла между ними α, β, γ (рис. 1.1, а). Эти величины называются параметрами элементар­ной ячейки.

Поскольку атомы стремятся занять наименьший объем, существу­ет всего 14 типов кристаллических решеток, свойственных элементам периодической системы. Наиболее распространенными среди металлов являются следующие типы решеток (рис. 1.1, б - г: линии на схемах условные; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются с большой частотой возле точек равновесия, т. е. узлов ре­шетки):

• объемно-центрированная кубическая (ОЦК) - атомы распо­ложены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Na, V, Nb, Fe α, К, Сr, W и другие металлы;

• гранецентрированная кубическая (ГЦК) - атомы расположе­ны в вершинах куба и в центре каждой грани; решетку такого типа имеют Pb, Al, Ni, Ag, Аu, Сu, Со, Fe γ и другие металлы;

• гексоганальная плотноупакованная (ГПУ) - четырнадцать ато­мов расположены в вершинах и центре шестиугольных оснований призмы, а три - в средней плоскости призмы; такую решетку имеют Mg, Ti, Re, Zn, Hf, Be, Са и другие металлы.

Рис. 1.1. Кристаллическое строение металлов:

а - схема кристаллической решетки; б - объемно-центрированная кубиче­ская; в - гранецентрированная кубическая; г - гексагональная плотноупа­кованная

Кристаллическую решетку характеризуют следующие основные параметры: период, координационное число, базис и коэффициент компактности.

Периодом решетки называется расстояние между двумя соседними параллельными кристаллографическими плоскостями в элементар­ной ячейке решетки. Он измеряется в нанометрах (1 нм = 10^-9 см) и для большинства металлов лежит в пределах 0,1 ...0,7 нм.

Координационное число показывает количество атомов, находя­щихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбран­ного атома в решетке. Для ГЦК решетки координационное число рав­но 12, ОЦК - 8, ГПУ - 12.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Так, на одну элементарную ячейку ОЦК решетки приходятся два атома: один, находящийся в центре куба и принадлежащий только данной ячейке, и второй - как сумма долей, которую вносят атомы, расположенные в вершинах куба и принадле­жащие одновременно восьми сопряженным элементарным ячейкам . Базисное число ГЦК и ГПУ решеток равно 4.

Коэффициент компактности (плотность упаковки) решетки η оп­ределяется отношением объема, занимаемого атомами, Vа, ко всему объему элементарной ячейки решетки Vp:

Плотность упаковки η оцк = 0,68, η гцк = 0,74, η гпу = 0,74.

Рассматривая модель кристаллической решетки (см. рис. 1.1), мож­но заметить, что плотность атомов в различных плоскостях неодинако­ва. По этой причине свойства отдельно взятого кристалла, в том числе химические, физические и механические, в разных направлениях бу­дут отличаться. Такое различие свойств называется анизотропией. Все кристаллы анизотропны. Помимо кристаллических тел существуют аморфные, в которых атомы совершают малые колебания вокруг хао­тически расположенных равновесных приложений, т. е. не образуют кристаллическую решетку. В таких телах свойства не зависят от на­правления, т. е. они изотропны.

Степень анизотропности может быть значительной. Исследования монокристалла меди в различных направлениях показали, что времен­ное сопротивление σ_в изменяется в нем в диапазоне 120...360 МПа, а относительное удлинение σ -10...55 %.

Технические металлы являются поликристаллическими вещества­ми, состоящими из множества мелких (10^-1... 10^-5 см) различно ориен­тированных относительно друг друга кристаллов, и их свойства во всех направлениях усредняются. Это означает, что металлы и сплавы изотропны.