- •Матеріалознавство
- •Передмова
- •Умови роботи обладнання переробної промисловості
- •Розділ 1. Матеріалознавство. Особливості атомно-кристалічної будови металів
- •1.2. Метали, особливості атомно-кристалічної будови
- •1.3. Поняття про ізотропію і анізотропію
- •1.4. Алотропія, або поліморфні перетворення
- •1.5. Магнітні перетворення
- •Розділ 2. Будова реальних металів. Дефекти кристалічної будови
- •2.1. Дефекти кристалічної структури
- •2.2. Дислокація, її утворення та види
- •Розділ 3. Кристалізація металів. Методи дослідження металів
- •3.1. Механізм та закони кристалізації металів
- •3.2. Будова металевого злитку
- •3.3. Методи дослідження металів: структурні і фізичні
- •3.4. Визначення хімічного складу
- •3.5. Вивчення структури
- •3.6. Фізичні методи дослідження
- •Розділ 4. Загальна теорія сплавів. Будова, кристалізація і властивості сплавів. Діаграма стану
- •4.1. Поняття про сплави і методи їх отримання
- •4.2. Особливості будови, кристалізації і властивостей сплавів: механічних сумішей, твердих розчинів, хімічних сполук
- •4.3. Класифікація сплавів твердих розчинів
- •Розділ 5. Механічні та експлуатаційні властивості металів
- •5.1. Механічні властивості і способи визначення їх кількісних характеристик: твердість, в'язкість, втомна міцність
- •5.2. Експлуатаційні властивості
- •Розділ 6. Залізовуглецеві сплави. Діаграма стану «залізо – вуглець»
- •6.1. Залізовуглецеві сплави
- •6.2. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів
- •6.3. Структури залізовуглецевих сплавів
- •Розділ 7. СталІ. Класифікація і маркування сталей
- •7.1. Вплив вуглецю і домішок на властивості сталей
- •7.2. Призначення легуючих елементів та їх розподіл у сталях
- •7.3. Класифікація і маркування сталей
- •Розділ 8. Чавуни. Будова, властивості, класифікація і маркування чавунів
- •8.1. Класифікація чавунів
- •8.2. Будова, властивості, класифікація і маркування сірих чавунів
- •8.3. Високоміцний чавун із кулькоподібним графітом
- •8.4. Ковкий чавун
- •Розділ 9. Кольорові метали і сплави на їх основі
- •9.1. Титан і його сплави
- •9.2. Алюміній і його сплави
- •9.3. Магній і його сплави
- •9.4. Мідь і її сплави
- •Розділ 10. Пластмаси й їх класифікація, властивість і галузь застосування
- •10.1. Загальні відомості про пластмаси й їх класифікація
- •10.2. Термопластичні пластмаси
- •10.3. Термореактивні пластмаси
- •10.4. Синтетичні еластоміри, каучук, гума
- •Розділ 11. Деревина та її властивості
- •11.1. Загальні відомості
- •11.2. Будова дерев. Види деревини
- •11.3. Фізичні і механічні властивості деревини
- •11.4. Матеріали і напівфабрикати із деревини
- •Розділ 12. Скло. Властивості та застосування
- •12.1. Загальні відомості
- •12.2. Технологія отримання скла
- •12.3. Марки скла
- •12.4. Властивості скла
- •12.5. Види скла за призначенням
- •Протипожежне скло – армоване скло. Розділ 13. Практичне застосування матеріалів у харчовій і переробній промисловостЯх
- •13.1. Вироби з чорних та кольорових металів
- •13.2. Неметалеві матеріали в переробній промисловості
- •13.3. Екологічна небезпека матеріалів у переробній промисловості
- •Організація та методика проведення лабораторних робіт
- •Лабораторна робота 2 металографічний аналіз металів та сплавів
- •Лабораторна робота 3 вивчення структури сталей та чавунів
- •Лабораторна робота 4 вивчення мікроструктури кольорових металів та сплавів
- •Лабораторна робота 5 вивчення властивостей пластмас
- •Лабораторна робота 6 Вивчення властивостей деревини
- •6.2. Будова деревини
- •6.2.1. Макроструктура
- •6.2.2. Мікроструктура
- •6.3. Фізико-механічні властивості
- •6.3.1. Визначення вологості деревини прискореним методом
- •6.3.2. Визначення середньої густини деревини
- •6.3.3. Визначення граничної міцності за стискання
- •6.3.4. Визначення граничної міцності за згинання
- •6.4. Контрольні запитання для захисту роботи
1.3. Поняття про ізотропію і анізотропію
Властивості тіла залежать від природи атомів, з яких воно складається, і від сили взаємодії між цими атомами. Сили взаємодії між атомами в значній мірі визначаються відстанями між ними. В аморфних тілах із хаотичним розташуванням атомів у просторі відстані між атомами в різних напрямах рівні, отже, властивості будуть однакові, тобто аморфні тіла ізотропні.
У кристалічних тілах атоми правильно розташовуються в просторі, причому по різних напрямах відстані між атомами неоднакові, що зумовлює істотні відмінності в силах взаємодії між ними і, в кінцевому підсумку, різні властивості. Залежність властивостей від напряму називається анізотропією.
1.4. Алотропія, або поліморфні перетворення
Здатність деяких металів існувати в різних кристалічних формах залежно від зовнішніх умов (тиск, температура) називається алотропією, або поліморфізмом. Кожний вид ґрат є алотропічною видозміною, або модифікацією.
Прикладом алотропічної видозміни залежно від температури є залізо (Fe) рис. 1.3.
t
< 9110C
ОЦК
- Feα;
911
< t <13920C
ГЦК
- Feγ;
1392
< t <15390C
ОЦК
- Feδ
(високотемпературне
Feα
)
Рис. 1.3. Крива охолодження чистого заліза
Перетворення однієї модифікації на іншу протікає за постійної температури і супроводжується тепловим ефектом. Видозміни елементу позначаються буквами грецького алфавіту у вигляді індексу основного позначення металу.
Прикладом алотропічної видозміни, обумовленої зміною тиску, є вуглець: за низького тиску утворюється графіт, а за високого – алмаз.
Використовуючи явище поліморфізму, можна зміцнювати сплави за допомогою термічної обробки.
1.5. Магнітні перетворення
Деякі метали намагнічуються під дією магнітного поля. Після усунення магнітного поля вони володіють залишковим магнетизмом. Це явище вперше виявлене на залізі й отримало назву феромагнетизму. До феромагнетиків належать залізо, кобальт, нікель і деякі інші метали.
У разі нагріву феромагнітні властивості металу зменшуються поступово: спочатку слабо, потім різко і за відповідної температури (точка Кюрі для заліза -768 °С) зникають. Вище за цю температуру метали стають парамагнетиками. Магнітні перетворення не пов'язані зі зміною кристалічної решітки або мікроструктури – вони обумовлені змінами в характері електронної взаємодії.
Розділ 2. Будова реальних металів. Дефекти кристалічної будови
2.1. Дефекти кристалічної структури
Із рідкого розплаву можна виростити монокристал. Їх зазвичай використовують у лабораторіях для вивчення властивостей тієї або іншої речовини.
Метали і сплави, отримані в звичайних умовах, складаються з великої кількості кристалів, тобто, мають полікристалічну будову. Ці кристали називаються зернами. Вони мають неправильну форму і по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно має своє орієнтування кристалічної решітки, відмінне від орієнтування сусідніх зерен, унаслідок чого властивості реальних металів усереднюються, і явища анізотропії не спостерігається.
У кристалічній решітці реальних металів є різні дефекти (недосконалість), які порушують зв'язки між атомами та впливають на властивості металів. Розрізняють наступну структурну недосконалостей:
точкові – малі в усіх трьох вимірюваннях;
лінійні – малі у двох вимірюваннях і скільки завгодно протяжні в третьому;
поверхневі – малі в одному вимірюванні.
Однією з поширених недосконалостей кристалічної будови є наявність точкових дефектів: вакансій, дислокованих атомів і домішок (рис. 2.1).
а) б) в)
Рис. 2.1. Точкові дефекти
Вакансія – відсутність атомів у вузлах кристалічної решітки, «дірки», що утворилися з різних причин. Утворюється під час переходу атомів із поверхні в навколишнє середовище або з вузлів ґрат на поверхню (межі зерен, порожнечі, тріщини і т. д.), у результаті пластичної деформації, під час «бомбардування» тіла атомами або частинками високих енерґій (опромінювання в циклотроні або нейтронні опромінювання в ядерному реакторі). Концентрація вакансій в значній мірі визначається температурою тіла. Переміщаючись по кристалу, одиночні вакансії можуть зустрічатися і об'єднуватися в девакансії. Скупчення багатьох вакансій може призвести до утворення пор і порожнеч.
Дислокований атом – це атом, що вийшов із вузла ґрат і зайняв місце в міжвузловині. Концентрація дислокованих атомів значно менша, ніж вакансій, оскільки для їх утворення потрібні істотні витрати енерґії. На місці атома, що перемістився, утворюється вакансія.
Домішкові атоми завжди присутні в металі, оскільки практично неможливо виплавити хімічно чистий метал. Вони можуть мати розміри більше або менше розмірів основних атомів і розташовуються у вузлах ґрат або між ними.
Точкові дефекти викликають незначні спотворення ґрат, що може призвести до зміни властивостей тіла (електропровідність, магнітні властивості). Їх наявність сприяє процесам дифузії і протіканню фазових перетворень у твердому стані. Дефекти можуть взаємодіяти.
П
θ
Рис. 2.2. Розорієнтація зерен і блоків в металі
Розміри зерен складають до 1000 мкм. Кути розорієнтації (θ) становлять до декількох десятків градусів.
Будова перехідного шару сприяє скупченню в ньому дислокацій. На межах зерен підвищена концентрація домішок, які знижують поверхневу енерґію. Проте й усередині зерна ніколи не спостерігається ідеальної будови кристалічної решітки. Є ділянки, розорієнтовані одна щодо іншої на декілька градусів (θ1). Ці ділянки називаються фраґментами.