2.2. Общие сведения о строении материалов.

Ключевые слова:Кристаллическое строение и решетки металлов, полиморфизм железа, анизотропия металлов, дефекты кристаллическо­го строения, кристаллизация металлов. Общие сведения о строении сплавов. Строение неметаллических материа­лов.

Кристаллическое строение металлов.Подавляющее большинство металлов имеюткубические решетки:объемно центрированную ОЦК(Сr,Mo, W), гранецентирированнуюГЦК(Ni,Ai, Си), игексагональную плотно упакованнуюГПУ(Zn,Mg).

Некоторые металлы и в пер­вую очередь железо, при различ­ной температуре имеют различную кристаллическую форму (модифика­цию), которые обозначаются греческими буквами, , ,  и т.д. Существование металла в раз­личных кристаллических формах на­зывается полиморфизмом,а переход из одной модификации в другую– полиморфным превращением.Это положение имеет большое значение для понимания основ ме­талловедения и в первую очередь термической обработки.

Установлено, что свойства отдельных кристаллов (монокристаллов) в различных направлениях неодинаковые, поскольку число атомов и расстояние между ними в них различны. Такое явление, как зави­симость свойств металлов от направления, назвали анизотропией, имеющей большое значение в технике. Следует обратить внимание на то, реальные металлы (поликристаллы) являются изотропными, т.е. у них свойства не зависят от направления, если они не подвергнуты специальной обработке, например, прокатке.

Кристаллические решетки металлов не являются идеальными, а имеют много дефектов:точечные –вакансии, смещенные атомы, атомы примесей илинейные –дислокации (краевые и винтовые). Эти дефек­ты в значительной мере изменяют свойства кристаллов. Для поликристалла, состоящего из зерен, которые в свою очередь состоят из блоков монокристаллов ориентированных под различными углами, име­ет место так называемыйповерхностный дефект, образующийся на границах зерен и свободных поверхностях.

Процесс кристаллизации металланачинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. От них растут первичные (главные) оси будущих кристаллов, затем перпендикулярно к ним – оси высших порядков (рис. 2.2, а). Такие первичные кристаллы, на­поминающие внешним видом дерево, получили названиедендритов.Дальнейший их рост и формирование кристаллов происходит за счет жидкого металла,

заполняющего межосевое пространство. В конечном итоге кристаллы, соприкасаясь друг с другом, приобретают случай­ную внешнюю форму (рис. 2.2,б). Такие кристаллы назваются зернами.Величина и количество зерен характеризуется двумя факторами: чис­лом центров кристаллизации (ЧЦ) и скоростью их роста, т.е. ско­ростью кристаллизации (СК). От этих факторов зависит в основном размер зерен, а, следовательно, и свойства металла. С повышением скорости охлаждения ЧЦ увеличивается в большей степени, чем СК,поэтому размер зерен в металле уменьшается. Схематически строение металлического слитка представлено на рис. 2.3. Необходимо объяснить, почему его зерна в разли­чных зонах сильно отличаются друг от друга.

Общие сведения о строении сплавов.Сплавы состоят из двух или более металлов или металлов и неметаллов. В технике металлы и их сплавы обычно относят к одной группе материалов – к металлам. Сплавы или их части могут быть одно – или двухфазными (фаза– од­нородная по составу и строению часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно). Они (сплавы) образуются в видетвердого раство­ра(компоненты растворяются друг в друге в твердом состоянии),механической смесиихимического соединения.Твердый раствор и химическое соединение являются однофазными и имеют один тип крис­таллической решетки, а механическая смесь двух компонентов - двух­фазной и т.д. При этом в твердом растворе атомы растворимого ком­понента либо замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке, либо внедряются, в нее.

Строение неметаллических материалов.В основе строения неме­таллических материалов лежатполимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. При таких больших размерах макромолекул свойст­ва веществ определяются не только химическими составами этих мо­лекул, но и их взаимным расположением и строением.

Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Поперечное сечение цепи – несколько анг­стрем, а длина – несколько тысяч ангстрем. Поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость, являющаяся одной из отличительных свойств полимеров. Гибкость полимеров ограничена размером сегмен­тов – жестких участков, состоящих из нескольких участков. Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической связью, а силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значительно (в 10-50 раз) меньше. Таким образом, молекулы полимеров характеризуются прочными связями в самих макромоле­кулах и относительно слабыми между ними.

Полимеры встречаются в природе– натуральный каучук, целлю­лоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой яв­ляютсясинтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений. Возможности создания но­вых полимеров и изменения свойств уже существующих очень велики. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим, т.е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпева­ет. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветв­ленная. Представителями термопластов являются полиэтилен, полис­тирол, полиамиды и др.

Термореактивныеполимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются, затем вследс­твие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Отвержденное состояние полимера называется термостабильным. Приме­ром термореактивных смол могут служить фенолоформальдегидная, глифталевая и другие смолы.

Более подробно см. [рекомендованную литературу, Док. 5 и все учебные пособия по ссылке: http://krivoshchekov.at.ua/index/kursantam/0-15].