Лекція№1
Тема: Класифікація металів і дефекти кристалічної будови.
1.1 Класифікація металів.
1.2 Кристалічна будова металів.
1.3 Дефекти кристалічної будови.
1.4 Методи дослідження структури металів.
1.1 Класифікація металів.
Матеріалознавство є наукою про будову, властивості та методи обробки металевих й неметалевих матеріалів.
Закон П. П. Аносова – головний закон матеріалознавства:
С
клад
структура
властивості.
О
бробка
Теоретичною основою матеріалознавства є відповідні розділи фізики та хімії. Жодна галузь сучасного виробництва не обходиться без конструкційних матеріалів, особливо без металів. Саме тому майбутній інженер повинен здобути у вищому навчальному закладі ґрунтові теоретичні знання не лише про склад, будову та властивості матеріалів, але й про новітні технології обробки матеріалів. У матеріалознавстві широко використовують структурні дослідження, фізичні та механічні випробовування. У наслідок матеріалознавчих досліджень в промислове виробництво запроваджуються нові матеріали (надтверді, жароміцні, порошкові, композитні, полімерні та інші).
Металами називають речовини, які мають кристалічну будову, добру пластичність, високу електро- й теплопровідність та специфічний металевий блиск. З 106 елементів періодичної системи Менделєєва 76 є металами. Найпоширеніші в природі метали – це Al (8,8 % маси земної кори) і Fe (4,6 %).
Метали поділяють на дві групи: чорні й кольорові. До чорних металів належить залізо і стопи на його основі – сталі та чавуни. Ці стопи займають важливе місце в машинобудівній промисловості завдяки порівняно невисокій вартості, добрим технологічним і механічним властивостям. Недоліками чорних металів є висока густина та низька корозійна тривкість. З огляду на це спостерігається стійка тенденція до широкого використання металевих стопів на основі Ti, Al, Mg. Кольоровими вважають всі інші метали, крім чорних. Для технічних потреб застосовують близько 70 кольорових металів. Серед них найбільше значення мають Al, Cu, Mg, Ti, Ni, Pb, Zn, Sn, Mo, W, Co, Ta, Zr, Nb. Cu і Al у чистому вигляді використовують для потреб електротехніки та теплотехніки. Здебільшого кольорові метали застосовують у вигляді стопів. Багато кольорових металів слугують легувальними елементами для стопів. Хімічно чисті метали майже не застосовують з огляду на відсутність необхідних механічних і технологічних властивостей. Якщо, наприклад, до даного рідкого металу додати або замінити в ньому деяку кількість хімічних елементів (переважно металів), то після кристалізації отримаємо нову речовину з певним комплексом властивостей, яка називається стопом цього металу ( лише на основі заліза створено більше як 10000 сплавів). Окремі властивості металевих стопів можна додатково поліпшувати, використовуючи відповідну термічну чи хіміко-термічну обробки.
Характерні фізичні, хімічні та механічні властивості, які відрізняють метали від інших елементів, визначаються електронною будовою їх атомів. Число електронів у електрично нейтральному атомі будь-якого елемента дорівнює його порядковому номеру в періодичній системі Менделєєва. Саме розподіл електронів на енергетичних рівнях і підрівнях є причиною періодичних змін валентності елементів і їх властивостей зі збільшенням атомного номера.
Тип зв’язку елементарними частинками в кристалі визначається електронною будовою атомів, які взаємодіють. Найважливіші зв’язки: іонний, ковалентний і металевий. Тип зв’язку істотно впливає на властивості матеріалу.
Іонній зв’язок виникає між різнорідними атомами, наприклад натрію і хлору, один з яких віддає свій валентний електрон і перетворюється у позитивно заряджений іон (Na+), а інший приймає електрон і стає негативно зарядженим іоном (Cl-). Такий зв’язок типовий для неорганічних сполук. У більшості випадків іонні кристали – діелектрики.
Ковалентний зв’язок створюється за рахунок об’єднання валентних електронів сусідніх атомів у одному енергетичному рівні зовнішній орбіті. Об’єднані електрони належать водночас обом атомам і перебувають на спільній орбіті. Ці електрони взаємодіють як два електромагніти. Ковалентний зв’язок утворюють як однорідні атоми (Si, C в кристалічній гранці алмазу), так і різнорідні (Fe – C у хімічній сполуці Fe3C, Al-N-AlN). Ковалентний зв’язок дуже міцний. Багато кристалів з таким зв’язком відзначаються високою температурою топлення, значною твердістю (карбіди, нітриди) і суттєвою зносостійкістю.
Металевий зв’язок реалізується за рахунок електростатичної взаємодії між позитивно зарядженими іонами та негативно зарядженими вільними електронами. Валентні електрони атомів металу порівняно легко втрачають зв’язок зі своїми ядрами, утворюючі так званий електронний газ. Металевий зв’язок не скерований в одному напрямку. Добра електро- і теплопровідність металів забезпечується вільними електронами.